DE7833585U1 - AREA-PUMPED LASER WITH DIFFUSION-LIMITED OUTPUT BEAM - Google Patents
AREA-PUMPED LASER WITH DIFFUSION-LIMITED OUTPUT BEAMInfo
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Description
GENERAL ELECTRIC COMPANYGENERAL ELECTRIC COMPANY
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orhenectady, N.Y./U.J.Λ.1 River Road
orhenectady, NY / UJΛ.
Laserlaser
Die Neuerung bezieht sich auf einen Laser mit einer langgestreckten Platte aus einem homogener, aktiven Lasermedium n.it wenigstens zwei optisch planen Flächen, aie im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die effektive optische Länge der Laserplatte für ein hindurchtretendes StrahJenbündel in tier Reflexionsebene größer ist als in einer Ebene, die senkrecht zur Reflexionsebene verläuft und das Strahlenbündel -nthält.The innovation relates to a laser with an elongated one Plate made of a homogeneous, active laser medium n.it at least two optically flat surfaces, aie essentially parallel to each other run, the effective optical length of the laser plate for a beam of rays passing through in the plane of reflection is larger than in a plane that is perpendicular to the plane of reflection runs and contains the bundle of rays.
bekanntlich begrenzen bei üblichen optisch-gepumpten Stab lasern die thermisch-optischen Verzerrungen, die aus der Erwärmung in Verbindung mit dem optischen Pumpen resultieren, stark die transversale Eigenschwingung niedrigster Ordnung (Laserschwingungen oder Ausbreitungswellen sind bis zu einem gewissen Grade analog den Schwingungen oder Ausbreitungswellen von Mikrowellen-Hohlräumen, wie beispielsweise in einem Wellenleiter; beide Arten von Schwingungen oder Ausbreitungswellen können in verschiedenen Moden erzielt werden, und der sogenannte transversale Schwingungsmode niedrigster Ordnung wird üblicherweise vorgezogen). Diese Verzerrungen zeigen sich als ein thermischer Linseneffekt für denas is known, limit lasers with conventional optically-pumped rods the thermal-optical distortions resulting from the heating in In connection with the optical pumping, the result is a strong transverse natural oscillation of the lowest order (laser oscillations or propagation waves are to a certain extent analogous to the vibrations or propagation waves of microwave cavities, such as in a waveguide; both types of vibrations or waves of propagation can be in different Modes are achieved, and the so-called lowest order transverse oscillation mode is usually preferred). These Distortion shows up as a thermal lensing effect for the
Laserstab aufgrund des thermischen Gradienten zwischen der normalerweise gekühlten Außenfläche des aktiven Mediums und seines i'elativ heißen Mittelbereiches und als ein Depolarisationsef fekt, der durch die Beanspruchsverteilung in dem aktiven Medium bewirkt wird, die darin eine Doppelbrechung erzeugt. Während der thermische Linseneffekt für den Laserstab in etwa kompensiert werden kann, gilt dies für die Depolarisation nicht. Infolge des Depolarisationsef fektes kann sich der transversale Schwingungsmode niedrigster Ordnung in dem aktiven Medium nicht aufbauen. Wenn die Verluste für die Moden höherer Ordnung nicht vergrößert werden können, schwingt der Laser deshalb natürlicherweise in den Moden höherer Ordnung. Eine Modendiskrimination kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, daß das Verhältnis der Größe der Hohlraumöffnung zur Hohlraumlänge genügend klein (d. h. kleine Fresnel-Zahl des Hohlraumes) gewählt wird, aber die optischen Wellenlängen sind so, daß das erforderliche Verhältnis extrem klein isu. Infolgedessen muß entweder die Öffnung des aktiven Mediums klein und das verwendete Volumen des aktiven Materials klein sein, was einen kleinen Wirkungsgrad zur Folge hat, oder bei einer brauchbaren Öffnungsgröße muß die Länge des Hohlraumresonators so groß sein, daß er unhandlich wird.Laser rod due to the thermal gradient between the normally cooled outer surface of the active medium and its relatively hot central area and as a depolarization effect, caused by the stress distribution in the active medium which creates birefringence therein. During the thermal Lens effect for the laser rod can be compensated approximately, this does not apply to the depolarization. As a result of the depolarization sef The lowest order transversal oscillation mode cannot effectively build up in the active medium. If the Losses cannot be increased for the higher order modes, the laser therefore naturally oscillates in the modes higher order. A mode discrimination can be achieved in a simple manner by the ratio of the size of the cavity opening Small enough for the cavity length (i.e. small Fresnel number of the cavity) is chosen, but the optical wavelengths are such that the required ratio is extremely small isu. As a result, either the opening of the active medium small and the volume of active material used small, which results in a low efficiency, or at a useful aperture size must be the length of the cavity resonator be so big that it becomes unwieldy.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Neuerung ein einfaches Mittel zu schaffen, um eine Modendiskrimination ohne einen kleinen Wirkungsgrad und ohne einen Hohlraumresonator mit einer erforderlichen übermäßigen Länge zu erzielen. Außerdem sollen thermische Verzerrungsprobleme vermieden werden.It is therefore an object of the present innovation to be a simple one Means to provide a mode discrimination without a small efficiency and without a cavity resonator with a required excessive length. In addition, thermal distortion problems should be avoided.
Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß durch einen Laser gelöst, der axial mit der Laserplatte fluchtend neben dem einen Laserplattenende eine optisch plane Reflektoreinrichtung und neben dem entgegengesetzten Ende der Laserplatte eine konkave kugelförmige Reflektoreinrichtung aufweist.This object is achieved according to the invention by a laser which is axially aligned with the laser plate next to the one end of the laser plate an optically planar reflector device and a concave spherical one next to the opposite end of the laser plate Has reflector device.
Die optische Energie, die durch die Laserplatte in einer zu ihren zwei optisch planen Flächen im wesentlichen parallelen Richtung emittiert wird, ist somit senkrecht auf die Oberflächen der planen Ref.i.ektoreinrichtung und senkrecht auf die Oberfläche der kugelförmigen Reflektoreinrichtung an deren Auftreffpunkt gerichtet.The optical energy generated by the laser plate in a direction substantially parallel to its two optically planar surfaces is emitted, is thus perpendicular to the surfaces of the planar Ref.i.ektoreinrichtung and perpendicular to the surface of the spherical Reflector device directed at the point of impact.
Die Neuerung wird nun mit weiteren Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The innovation will now be explained in more detail with further advantages on the basis of the following description and the drawing of exemplary embodiments explained.
Figur 1 ist eine isometrische Ansicht von einem flächengepumpten Laser mit aktivem Medium.Figure 1 is an isometric view of an area pumped active medium laser.
Figur 2 ist eine schematische Seitenansicht mit einem flächengepumpten Laser gemäß der Neuerung.Figure 2 is a schematic side view with a surface-pumped one Laser according to the innovation.
In Figur 1 ist eine Platte oder Tafel 10 aus einem homogenen aktiven Medium mit einem rechtwinkligen Querschnitt gezeigt, wie es beispielsweise in der US-PS 3 633 126 beschrieben ist. In einem Ausführungsbeispiel kann das Medium Neodym-dotiertes Silikatglas sein. Zwei optisch plane Flächen 11 und 12 verlaufen parallel zur Längsachse 13 der Pia'te, um zahlreiche innere Totalreflexionen eines kohärenten Strahles elektromagnetischer Strahlung zu erzeugen, die durch den Pfad 16 dargestellt ist. Zwei optisch plane parallele Endflächen lH und 15 an jedem Längsende der Platte oder Tafel 10 des aktiven Mediums sind in dem Brewster-Winkel ß in bezug auf die Längsachse 13, gemessen in einer Ebene 17, angeordnet, die senkrecht durch die Flächen 11 und 12 des aktiven Lasermediums 10 läuft. Somit tritt jeder Strahl des kohärenten Strahlenbündels 16 in das aktive Lasermedium 10 in einem Auftreffwinkel relativ zu den longitudinal gerichteten Flächen 11 und 12 ein, um das Strahlenbündel— ___Referring to Figure 1, there is shown a homogeneous active medium plate or tablet 10 having a rectangular cross-section, such as that described in US Pat. No. 3,633,126. In one embodiment, the medium can be neodymium-doped silicate glass. Two optically plane surfaces 11 and 12 run parallel to the longitudinal axis 13 of the pia'te in order to generate numerous total internal reflections of a coherent beam of electromagnetic radiation, which is represented by the path 16. Two optically planar parallel end surfaces 1H and 15 at each longitudinal end of the plate or panel 10 of the active medium are arranged at the Brewster angle β with respect to the longitudinal axis 13, measured in a plane 17, which is perpendicular through the surfaces 11 and 12 of the active laser medium 10 is running. Thus, each ray of the coherent bundle of rays 16 enters the active laser medium 10 at an angle of incidence relative to the longitudinally directed surfaces 11 and 12 in order to create the bundle of rays.
in der Ebene 17 zu beugen, so daß es in einem derartigen Winkel auf die Fläche 11 oder die Fläche 12 auf triff t, daß an diesen Flächen eine innere Totalreflexion auftritt. Durch die innere Totalreflexion an abwechselnd der Fläche 11 und der Fläche 12 folgt das Strahlenbündel einem Zick-Zack-Kurs in der Ebene 17 und tritt durch Beugung aus einer der Endflächen 14 und 15 in der Weise aus, daß das Strahlenbündel mit der Längsachse 13 zusammenfällt. Die Ebene 17, die die Reflexionsebene für das Strahlenbündel 16 ist, wenn dieses durch das Medium 10 hindurch- *"-ritt, ist als die p-Ebene bekannt. Die Ebene 18, die zur Ebeneto bend in the plane 17, so that it meets the surface 11 or the surface 12 at such an angle that at these Total internal reflection occurs. Through the inner Total reflection on alternating surface 11 and surface 12, the bundle of rays follows a zigzag course in plane 17 and emerges by diffraction from one of the end faces 14 and 15 in in such a way that the bundle of rays coincides with the longitudinal axis 13. The level 17, which is the reflection level for the The bundle of rays 16 when it passed through the medium 10 is known as the p-plane. The plane 18 leading to the plane
17 senkrecht ist und ebenfalls die Längsachse 18 enthält, ist als die s-Ebene bekannt.17 is perpendicular and also includes the longitudinal axis 18 is known as the s-plane.
In einem flächengepumpten aktiven Lasermedium, wie beispielsweise die p]atte oder Tafel 10, tritt eine optische Verzerrung auf, wenn die Platte während des Betriebes eine Erwärmung durchläuft. Obwohl diese Erwärmung praktisch keine resultierende Verzerrung in der p-Ebene 17 bewirkt, da die Platte 10 in der p-Ebene gut kompensiert ist, kann eine Verzerrung in der s-EbeneIn an area-pumped active laser medium such as the p ] atte or panel 10, optical distortion occurs when the panel is heated during operation. Although this heating causes practically no resulting distortion in the p-plane 17, since the plate 10 is well compensated in the p-plane, a distortion in the s-plane can occur
18 entstehen aufgrund von Pump- und Erwärmungsungleichförmigkeit über der Breite der Tafel 10 (d. h. der L?nge des Schnittes von einer der Endflächen 14 und 15 mit der Ebene 18). Indem die Laser-Resonanzkammer so hergestellt wird, daß der transversale Eigenschwingungsmods niedrigster Ordnung stark bevorzugt ist, ist es möglich, diese Verzerrung auf ein Minimum zu reduzieren oder insgesamt zu eliminieren.18 arise due to pumping and heating non-uniformities across the width of panel 10 (i.e., the length of the cut from one of the end surfaces 14 and 15 with the plane 18). By the Laser resonance chamber is manufactured in such a way that the lowest order transverse natural oscillation mode is strongly preferred, it is possible to reduce this distortion to a minimum or to eliminate it altogether.
Ein Weg zu Fertigung der Laserresonanzkammer zur Erzielung dieses Ergebnisses würde darin bestehen, einen instabilen Resonator zu verwenden, d. h. eine Resonanzkammer, in der die Strahlung divergiert, wenn sie zwischen den Kammerreflektoren hindurchläuft. An dem Ausgangsreflektor der Kammer tritt die Ausgangsenergie über den Reflektorumfang hinaus, da der Strahlquerschnitt größer ist als der Reflektor. Derjenige Teil der Strahlenergie, der von dem Ausgangsreflektor reflektiert wird zur Wiederverstärkung durch das aktive Medium, kann geometrisch so selektiert werden, daß nur eine gleichphasige Wellenfront zu-One way to fabricate the laser resonance chamber to achieve this The result would be to use an unstable resonator; H. a resonance chamber in which the radiation diverges as it passes between the chamber reflectors. The output energy occurs at the output reflector of the chamber beyond the reflector circumference, as the beam cross-section is larger than the reflector. That part of the beam energy which is reflected from the exit reflector to the Reinforcement by the active medium can be selected geometrically in such a way that only an in-phase wave front is added.
rückgeleitet wird. Aus diesem Grunde kann ein instabiler Resonator eine gleichphasige Wellenfront in der Resonanzkammer stark selektieren, wodurch es möglich ist, einen durch Beugung begrenzten Ausgangsstrahl aus einer Resonanζkammer mit einer großen Fresnel-Zahl zu erzeugen. Instabile Resonatoren sind allgemein bekannt und beispielsweise von A.E. Siegman, Applied Optics, Hr. 13, Seiten 353-367 (Februar 1971I) beschrieben.is returned. For this reason, an unstable resonator can strongly select an in-phase wave front in the resonance chamber, which makes it possible to generate a diffraction-limited output beam from a resonance chamber with a large Fresnel number. Unstable resonators are generally known and, for example, from AE Siegman, Applied Optics, Hr. 13, pages 353-367 (February 197 1 I).
Ein Nachteil des instabilen Resonators besteht darin, daß die Rückkopplung aus dem Ausgangsreflektor nicht mehr als etwa 10 % betragen kann, wenn eine gute Modensteuerung und Stabilität erzielt werden sollen. Dies macht es erforderlich, daß der Gewinn durch das aktive Medium relativ hoch ist für einen Laseroszillatorbetrieb. Bei üblichen Anwendung:= fällen von flächengepumpten Lasern ist das aktive Medium in einer festen Masse, ist optisch gepumpt und hat einen relativ kleinen Gewinn.A disadvantage of the unstable resonator is that the feedback from the output reflector cannot be more than about 10% if good mode control and stability are to be achieved. This requires that the gain from the active medium be relatively high for laser oscillator operation. In common use: = case of area-pumped lasers, the active medium is in a solid mass, is optically pumped and has a relatively small gain.
Ein Resonator, der in der Ebene einer kleinen Verzerrung stabil und in der Ebene, in der eine Verzerrung auftreten kann, instabil ist, macht effektiven Gebrauch von der Modenselektivität, die durch den instabilen Resonator geliefert wird, und gestattet gleichzeitig eine relativ große (beispielsweise 50 %) Rückkopplung aus dem Ausgangsreflektor. Darüber hinaus beträgt das Verhältnis der Plattenbreite (gemessen in der Ebene 18) zur Dicke (££■:;.essen in der Ebene 17) für einen flächengepumpten Laser derA resonator that is stable in the plane of small distortion and unstable in the plane in which distortion can occur makes effective use of the mode selectivity provided by the unstable resonator while allowing a relatively large (e.g. 50 %) Feedback from the output reflector. In addition, the ratio of the plate width (measured in level 18) to the thickness (££ ■:;. Eat in level 17) for a surface-pumped laser is the
drei hier Geschriebenen Art üblicherweise / oder mehr. Dies hat eine intrakavitäre Öffnung der Platte 10 zur Folge, die relativ kleiner in der Ebene einer kleinen Verzerrung (wodurch eine kleine Fresnel-Zahl der Kammer erzielt wird) und größer ist in der Ebene mit möglicher Verzerrung (wodurch eine große Fresnel-Zahl der Kammer erzielt wird). Aus diesen Gründen ist eine stabile/instabile Resonanzkammer gut geeignet für eine Verwendung mit einem flächengepumpten Laser des Typa, wie er in der bereits eingangs genannten US-PS 3 633 126 beschrieben ist. three types written here usually / or more. This results in an intracavitary opening of the plate 10 which is relatively smaller in the plane of small distortion (which results in a small Fresnel number of the chamber) and larger in the plane of possible distortion (which results in a large Fresnel number of the chamber is achieved). For these reasons, a stable / unstable resonance chamber is well suited for use with an area-pumped laser of the type, as described in US Pat. No. 3,633,126 mentioned above.
Eine stabile/instabile Resonanzkammer für einen Laser-Oszillator ist auf einfache Weise auszuführen mit einer Yielfach-Reflexion aufweisenden flächengepumpten Laserplatte in ihrer üblichen Form, wie sie in Figur 2 gezeigt ist. Somit wird die einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisende Platte 10 in der Weise hergestellt, daß die den Strahleneingang bildenden Endflächen Ik und 15 in dem Brewster-Winkel in bezug auf die Längsachse 13 angeordnet sind. Das aktive Mediuni 10 wird üblicherweise durch die Flächen 11 und 12 hindurch durch Blitzlampen 23 bzw. 2k gepumpt, um Atome des aktiven Mediums zu einem metastabilen Zustand zu erregen und dadurch eine Besetzungsinversion darin zu erzeugen. Die effektive optische Länge der Platte 10 in der p-Ebene (die den Brewster-Winkel enthält) ist kleiner als in der s-Ebene. Deshalb kann durch Verwendung üblicher konvergierender Kammeroptiken mit einem konkaven kugelförmigen Kammerreflektor 21 und einem planen Ausgangsreflektor 22 die Trennung zwischen den Reflektoren 21 und 22 so eingestellt werden, daß die dadurch gebildete Laserresonanzkammer nur in der p-Ebene stabil ist und in der s-Ebene instabil ist, da die effektive Resonatorlänge in der s-Ebene größer ist als die Länge, die für eine stabile Resonanzkammer erforderlich ist.A stable / unstable resonance chamber for a laser oscillator can be implemented in a simple manner with a surface-pumped laser plate having multiple reflections in its usual form, as shown in FIG. Thus, the plate 10 having a rectangular cross section is produced in such a way that the end surfaces Ik and 15 forming the beam entrance are arranged at the Brewster angle with respect to the longitudinal axis 13. The active medium 10 is typically pumped through the surfaces 11 and 12 by flashlights 23 and 2k , respectively, to excite atoms of the active medium to a metastable state and thereby create a population inversion therein. The effective optical length of the disk 10 in the p-plane (which contains Brewster's angle) is less than that in the s-plane. Therefore, by using conventional converging chamber optics with a concave spherical chamber reflector 21 and a planar output reflector 22, the separation between the reflectors 21 and 22 can be adjusted so that the laser resonance chamber formed thereby is only stable in the p-plane and unstable in the s-plane is because the effective resonator length in the s-plane is greater than the length required for a stable resonance chamber.
In dem speziellen Fall eines konkaven kugelförmigen Reflektors 21 und eines planen Ausgangsreflektors 22 ist die Trennung dieser Reflektoren so eingestellt, daß deren optische Trennung in der p-Ebene kleiner ist als der Krümmungsradius des kugelförmigen Reflektors 21, und daß deren optische Trennung in der s-Ebene größer ist als der Krümmungsradius des kugelförmigen Reflektors. Diese Einstellung ist auf einfache Weise zu erzielen, da die optische Länge der Laserplatte mit den im Brewster-Winkel angeordneten Endflächen Ik und 15 in der p-Ebene kleiner ist als in der s-Ebene (um Ί1 % der Plattenlänge im Falle von Neodymdotiertem Glas). Die exakte Trennung der Spiegel wird so eingestellt, daß die öffnung der p-Ebene der Pxatte durch die optische Energie in dem stabilen Resonatormode niedrigster Ordnung gefüllt ist. Die Breite des Ausgangsspiegels (d. h. die Ausdehnung in der s-Ebene) ist so eingestellt, daß die öffnung derIn the special case of a concave spherical reflector 21 and a planar output reflector 22, the separation of these reflectors is set so that their optical separation in the p-plane is smaller than the radius of curvature of the spherical reflector 21, and that their optical separation in the s- Plane is greater than the radius of curvature of the spherical reflector. This setting is easy to achieve because the optical length of the laser plate with the end faces Ik and 15 arranged at Brewster's angle is smaller in the p-plane than in the s-plane (by Ί1 % of the plate length in the case of neodymium-doped glass ). The exact separation of the mirrors is adjusted so that the opening of the p-plane of the Pxatte is filled by the optical energy in the stable resonator mode of the lowest order. The width of the output mirror (ie the extent in the s-plane) is set so that the opening of the
Platte in der s-Ebene durch die optische Energie in dem instabilen Resonatormode gefüllt ist. Das Reflexionsvermögen des Ausgangsreflektors kann zur Erzielung eines optimalen Ausgangswirkungsgrades eingestellt sein. Kammerreflektoren sind nicht auf plane und konkave Kombinationen beschränkt; es können Reflektoren mit einer breiten Vielfalt von Krümmungen verwendet werden, so lange die Kriterien für die stabile/instabile Kammer erfüllt sind. Selbstverständlich muß die Krümmung der Reflektoren entsprechend ausgewählt sein, um die gewünschte physikalische Länge der Resona:, zkammer, die gewünschte Presnel-Zahl in der p-Ebene und den richtigen Grad an Instabilität in der s-Ebene zu erzielen.Plate in the s-plane due to the optical energy in the unstable Resonatormode is filled. The reflectivity of the output reflector can be used to achieve optimal output efficiency be set. Chamber reflectors are not on plane and restricted concave combinations; reflectors of a wide variety of curvatures can be used so long the criteria for the stable / unstable chamber are met. Of course, the curvature of the reflectors must be appropriate be selected to the desired physical length of the resona :, zkammer, the desired Presnel number in the p-plane and achieve the right degree of instability in the s-plane.
Jedoch müssen die Enden der Laserplatte nicht notwendigerweise in dem Brewster-Winkel angeordnet sein. Es können vielmehr auch andere Strahleintrittswinkel verwendet werden; nichts--destoweniger ist der Brewster-Winkel häufig der günstigste, da die Reflektionsverluste null sind, wenn in der p-Ebene polarisiertes Licht durch eine im Brewster-Winkel angeordnete Fläche hindurchtritt. Somit liefert die in Figur 2 dargestellte Einrichtung einen durch Beugung begrenzten Ausgangsstrahl, der in Längsrichtung entlang der Achse 13 gerichtet ist, aus einem mit Vielfach-Reflexion arbeitenden flächengepumpten Laser, indem darin der transversale Schwingungsmodejniedigster Ordnung bevorzugt wird, ohne daß eine wesentliche Einbuße in der Ausgangsleistung auftritt. However, the ends of the laser plate do not necessarily have to be arranged at the Brewster's angle. Rather, it can other beam entrance angles can be used; nothing - none the less Brewster's angle is often the most favorable because the reflection losses are zero when polarized in the p-plane Light passes through a surface arranged at Brewster's angle. Thus, the device shown in Figure 2 delivers a diffraction-limited output beam, which is directed longitudinally along the axis 13, from one with multiple reflection working area-pumped laser, in which the transverse vibration mode of the lowest order is preferred, without a substantial loss in output power.
Es ist also ein flächengepumpter Laser-Oszillator mit einem Resonator beschrieben worden, der den transversalen Schwingungsmodeniedrigster Ordnung stark bevorzugt. Es ist somit ein durch Beugung begrenzter Ausgangsstrahl aus einer Resonanzkammer eines flächengepumpten Lasers mit einer großen Fresnel-Zahl erhältlich, wobei der Resonator in der- p-Ebene stabil und in der s-Ebene instabil ist.So it is a surface-pumped laser oscillator with a resonator has been described, which strongly favors the transverse lowest order vibrational mode. It is thus a through Diffraction limited output beam from a resonance chamber of a surface-pumped laser with a large Fresnel number available, where the resonator is stable in the p-plane and unstable in the s-plane is.
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