DE9113379U1

DE9113379U1 - Ramanlaservorrichtung

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Publication number: DE9113379U1
Application number: DE9113379U
Authority: DE
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1992-01-09
Anticipated expiration: 2001-10-29

Description

ELTRO GmbH Gesellschaft für Strahlungstechnik Kurpfalzring 106, 6900 Heidelberg 1

Ma/Kr/606

Ramanlaservorrichtuna Beschreibung

Die Neuerung betrifft eine Ramanlaservorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ramanlaser benutzen ein ramanaktives Medium, um Laserstrahlung einer Wellenlänge in eine solche anderer Wellenlänge umzuwandeln. Das ramanaktive Medium wird entsprechend der gewünschten Wellenlänge der verschobenen Laserstrahlung ausgewählt. Z.B. ermöglicht Methan (CH4) mit einer Frequenzverschiebung von 2916 cm"¹ die Umwandlung der nicht augensicheren 1.064 jttm - Strahlung des Nd: YAG-Lasers in die "augensichere" Wellenlänge von 1,54 &mgr;&pgr;&igr;.

Eine solche Vorrichtung ist aus DE 31 14 815 C2 bekannt, der die EP 0 063 205 Bl entspricht. Da hier lediglich ein einziger die Ramanstrahlung totalreflektierender Spiegel verwendet wird, spricht man von einem sogenannten Halbresonator. Mit Hilfe eines optischen Isolators, z.B. bestehend aus Dünnfilmpolarisator und &lgr;/4 -Platte, der im Bereich zwischen dem ND: YAG Laser Auskoppelspiegel und der Ramanzelle angeordnet ist, läßt sich die Rückkopplung von Brillouin-Streustrahlung (SBS) zurück in den Pumplaser, die häufig für die Beschädigung oder gar Zerstörung des Pumplasers bzw. optischer Elemente verantwortlich ist, verhindern. Außerdem ist in Strahlendurchtrittsrichtung hinter der Ramanzelle ein dichroitischer Spiegel

vorgesehen, der die noch verbleibende Pumplaserstrahlung ableitet. Diese ansonsten durchaus brauchbare Vorrichtung zeigt jedoch Empfindlichkeit hinsichtlich der Justage des die ramanverschobene Strahlung totalreflektierenden Spiegels, wodurch sich ein gewisser Aufwand für die mechanisch präzise Konstruktion dieses Ramankonverters nicht vermeiden läßt.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Laservorrichtung hinsichtlich ihres Aufbaus einfacher zu konzipieren und hierbei vor allem den Aufwand einer komplizierten Einstellung der optischen Komponenten zu vermeiden, ohne daß es hierbei zu einer Verschlechterung des Umwandlungswirkungsgrades kommt. Diese Aufgabe wird bei einer Ramanlaservorrichtung der eingangs näher beschriebenen Gattung neuerungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Von Vorteil erweist sich hierbei zum einen die Einsparung eines Polarisators, d.h. man erzielt geringere optische Verluste; zum anderen findet durch das spezielle Fokussierelement, das zugleich als Reflektoreinheit für den Raman-Halbresonator dient, eine relativ unkritische Justage des Raman-Halbresonators statt, so daß die Ramanumwandlung mit einem hohen Wirkungsgrad innerhalb des Ramanmediums einsetzt, wenn die erforderliche Schwelle durch die Pumplaserstrahlung überschritten wird.

Die Inhalte der Ansprüche 2, 3 und 4 ermöglichen durch Zusammenfassung und/oder Einsparung von optischen Komponenten sowie durch die Möglichkeit eines gefalteten Strahlengangs eine raumsparende und damit kompakte Bauweise.

Auch der noch verbleibende Anspruch 5 enthält eine Weiterbildung der Neuerung.

Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Neuerung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt

Fig. 1 die prinzipielle Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Neuerung,

Fig. 2 u. 3 die neuerungsgemäße Vorrichtung mit jeweils kombinierter Polarisator-Güteschalter-Isolator-Einheit und

Fig. 4 eine Vorrichtung ähnlich Fig. 1, jedoch mit einem sogenannten polarisationsauskoppelnden POC-Pumplaserresonator mit gefaltetem Strahlengang.

Fig. 1 zeigt einen Ramanlaser 1, der sich im wesentlichen aus drei Baugruppen - Pumplaser, optischer Isolator, Ramanresonator - mit ihren Einzelelementen zusammensetzt. Der Pumplaser 2 bis 6 enthält ein Lasermedium 5, das sich zwischen dem Endspiegel 2 und dem Auskoppelspiegel 3 befindet. Aus Gründen einer besseren Klarheit wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Nd:YAG-Laser verwendet, der bei einer Wellenlänge von 1,064 &mgr;&idiagr;&eegr; arbeitet, obgleich es in anderen Ausführungsbeispielen möglich ist, auch andere Lasermedien zu benutzen und damit andere Wellenlängen einer Primärstrahlung zu erzeugen, ohne daß dadurch der Rahmen der Neuerung verlassen würde. Um die angestrebte hohe Strahlungsintensität bei geringer Pulsbreite des Pumplasers 2 bis 6 zu erreichen, muß für den Pumplaserresonator ein optischer Güteschalter 4 vorgesehen sein.

Zur Erzeugung von polarisierter Strahlung des Nd:YAG-Pumplasers 2 bis 6 wird der Polarisator 6 verwendet, der zusammen mit dem in Strahlendurchtrittsrichtung optisch nachgeschalteten &lgr;/4-

Verzögerungselement 7 als optischer Isolator wirkt. Auf dem Weg zur Ramanzelle 9, die als Raman-Medium 10 Methan-Gas (CH4) unter hohem Druck enthält, durchläuft die Strahlung 14 noch in der genannten Reihenfolge - das in Form einer Konvex/Konkav-Linse ausgebildete Fokussierelement 8 und das Eintrittfenster

11. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Raman-Medium auch aus Deuterium (D2), Wasserstoff (H2) oder einem ähnlichen

Gas bestehen. Das Fokussierelement ist so ausgelegt, daß die konkave Fläche als Hohlspiegel für die aus der Fokalregion 13 zurückgestreute rainanverschobene Strahlung 15 dient, so daß die fokussierte Strahlung 14 der Wellenlänge 1,064 &mgr;&pgr;&igr; des Pumplasers 2 bis 6 optisch einen identischen Weg wie die rainanverschobene Strahlung der Wellenlänge 1,54 &mgr;&idiagr;&eegr; nimmt. Die Fokuspunkte der beiden Wellenlängen fallen somit zusammen. In diesem Fall ist die Ramanumwandlung sehr effizient und dominiert über konkurrierende Prozesse.

Die innerhalb der Raman-Zelle entstehende stimulierte Brillouin-Streustrahlung (SBS) läuft in Richtung des Nd:YAG-Pumplasers 2 bis 6 zurück und kann, dort verstärkt, optische Elemente des Pumplasers oder des Raman-Halbresonators beschädigen. Dies wird durch den optischen Isolator 6,7 verhindert, weil die zurückgekoppelte SBS über den Polarisator 6 aus dem Strahlengang herausgeführt wird.

Von der Nd:YAG-Strahlung 14 wird der nicht umgewandelte Anteil 14' der Wellenlänge 1,064 &mgr;&idiagr;&eegr; durch das Austrittsfenster 12 aus der Ramanzelle 9 ausgekoppelt. Die verstärkte rainanverschobene Strahlenergie 15' wurde mit Hilfe des dichroitischen Strahlteilers 16 nach der Ramanzelle von der 1,064 &mgr;&pgr;&igr; Reststrahlung getrennt. Auf diese Weise läßt sich der Rest der Nd:YAG-Pumplaserstrahlung auskoppeln, so daß er einerseits nicht mehr in den Raman-Halbresonator zurückgelangen kann und andererseits der verbleibende Ramananteil 15' als Ausgangsstrahl verfügbar ist.

Eine zusätzliche Vereinfachung stellen die beiden in Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen dar. Sowohl durch die Verwendung eines polarisierenden passiven Güteschalters 4' (Fig. 2) der unter dem Brewsterwinkel in den Strahlengang eingefügt ist, als auch durch die Polarisator-Einheit 6 eines aktiven Güteschalters 4 (Fig. 3) entsteht zusammen mit dem &lgr;/4 Verzögerungselement 7 jeweils eine kombinierte Güteschalter-Isolator-

Einheit, die jeweils zwischen dem Lasermedium 5 und einem der Resonatorspiegel 2 bzw. 3 angeordnet ist.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 schließlich wird ein sogenannter polarisationsauskoppelnder POC-Pumplaserresonator (POC = polarisation out coupling resonator) verwendet. Bei diesem Pumplaserresonator wird die entstehende Laserstrahlung zwischen den beiden totalreflektierenden Spiegeln 2 und 3' gehalten. Es wird der linear polarisierte Anteil der Laserstrahlung, der in der Polarisationsebene des Polarisators liegt, ausgekoppelt. Außerdem erfolgt im Bereich zwischen Polarisator 6 und Fokussierelement 8 über den Spiegel 17 eine Faltung des Strahlenganges, die zu einer stabilen Kompaktbauweise führt. Bei einem anderen zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Strahlengang auch in einem anderen Bereich gefaltet sein oder aber er kann in diesem und/oder in einem anderen Bereich auch mehrfach gefaltet sein.

Insgesamt gesehen ergibt sich durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen die Möglichkeit, einen Ramanlaser mit vergleichsweise einfachem Aufbau und unkomplizierter Justage zu betreiben. Zugleich stellt die Einsparung von optischen Komponenten einen deutlichen Vorteil hinsichtlich Effizienz und Einfachheit dar. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt, um das Grundprinzip der Neuerung zu beschreiben, von dem auch Modifikationen möglich sind, ohne daß dadurch der Rahmen der in Rede stehenden Neuerung verlassen würde.

Claims

Schutzansprüche

1. Ramanlaservorrichtung, bestehend aus

a) einem Pumplaser, dessen Resonator ein optisch anregbares laseraktives Medium enthält und mit Hilfe eines Polarisators eine polarisierte Strahlung erzeugt,

b) einem in Strahlendurchtrittsrichtung optisch nachgeschalteten Raman-Halbresonator, der eine von Fenstern begrenzte Ramanzelle mit einem ramanaktiven Medium enthält, das durch die mit Hilfe von fokussierenden Elementen gebündelte Strahlung des Pumplasers anregbar ist,

c) einem zwischen dem Pumplaser und Raman-Halbresonator angeordneten optischen Isolator, der aus einem zwischen dem Pumplaser und dem Raman-Halbresonator vorgesehenen &lgr;/4-Verzögerungselement sowie einem Dünnfilmpolarisator besteht.

d) einer zwischen dem &lgr;/4-Verzögerungselement und dem Raman-Halbresonator angeordneten Fokussiereinheit und

e) einem dem Ramanresonator in Strahlendurchtrittsrichtung optisch nachgeschalteten, dichroitischen Spiegel zwecks Strahlteilung der Pumplaser- und der ramanverschobenen Strahlung,

dadurch gekennzeichnet , daß

f) zwecks Wegangleichung der fokussierten Strahlung (14) des Pumplasers (2 bis 6) und der zurückgestreuten, ramanverschobenen Strahlung die Fokussiereinheit (8) als Konvex/Konkav-Linse ausgebildet ist, und zwar mit einer für die erste Wellenlänge durchlässigen und für die

ramanverschobene Wellenlänge reflektierenden konkaven Seite,

g) die Auskopplung der ungewünschten, aus der Ramanzelle (9) zurückgekoppelten Strahlung (15) an dem Polarisator (6) des Pumplasers (2 bis 6) erreicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvex/Konkav-Linse (8) anstelle des Eintrittfensters (11) der Ramanzelle (9) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichne t , daß der Polarisator (6) gleichzeitig als Güteschalter (4, 6) oder als Teil desselben ausgebildet ist (Fig. 2 und 3).

. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch g e k e &eegr; &eegr; &zgr; e i c h &eegr; e t , daß der Pumplaser (2 bis 6) einen sogenannten polarisationsauskoppelnden POC-Resonator enthält und der Strahlengang an wenigstens einer Stelle, vorzugsweise im Bereich zwischen Polarisator (6) und Fokussierelement (8), z.B. mittels der Umlenkeinheit (17), zu einer kompakten Bauform gefaltet ausgebildet ist (Fig. 4)·

. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Isolator (6, 7), zwischen dem Polarisator (6) des Pumplaserresonators und dem &lgr;/4-Verzögerungselement (7) den Auskoppelspiegel (3) des Pumplaserresonators enthält.