NL8700425A - Laserinrichting. - Google Patents

Description

;X

Nw 8481

Titel: Laserinrichting.

Uitvinders: G.J.Ernst en H.P.Godfried.

De uitvinding heeft betrekking op een laserinrichting, omvattende een trilholte waarin een lasermedium wordt gehouden, twee eindspiegels, opgesteld aan weerszijden van de trilholte, teneinde een resonator te bepalen, 5 van welke twee eindspiegels tenminste één gedeeltelijk doorlatend is, alsmede een achter de tenminste ene gedeeltelijk doorlatende eindspiegel opgestelde tralie.

Een dergelijke laserinrichting is békend uit het artikel in IEEE Journal of Quantum Electronics, 10 vol. QE-7, nr. 10, oktober 1971, blz. 484-488. Deze bekende laserinrichting betekent reeds een verbetering ten opzichte van lasers, die slechts zijn voorzien van twee eindspiegels of van één eindspiegel en één tralie.

In het algemeen immers zal een laser oscilleren bij 15 een frequentie waarbij de verhouding tussen de versterking en de verliezen bij een rondgang door de trilholte het grootst is. Bij een resonator die wordt begrensd door twee spiegels, te weten een breedbandige reflector aan de ene zijde en een breedbandige partiële reflector 20 aan de andere zijde, zal de sterkste overgang, dat wil zeggen de overgang met de grootste versterking, tot oscilleren komen. Om zwakkere overgangen tot oscillatie te brengen en derhalve de laser bij een andere frequentie te laten oscilleren, dient de trilholte zodanig te 25 zijn dat de kwaliteit van de trilholte hoog is voor de gewenste zwakke overgang en laag voor de sterkere overgangen. Dit kan bereikt worden door een tralie in plaats van één van de eindspiegels op te stellen. Een dergelijke constructie is evenwel niet geschikt voor 30 zeer zwakke overgangen, omdat de reflectiecoëfficiënt van een tralie beperkt is en derhalve de kwaliteit van de trilholte niet groot. Voorts is deze constructie niet geschikt voor hoogvermogen continue lasers of hoog- 6 7 c c „ :.· i -2- 'ψ energetisch gepulseerde lasers, omdat de absorptiecoëfficiënt van een tralie groot is, hetgeen tot vervorming of beschadiging van het tralie kan leiden. In bovengenoemd artikel nu wordt voorgesteld het tralie te vervangen 5 door een tralie-spiegelcombinatie, zodat als het ware een drie-spiegelsysteem wordt gevormd. Bij een dergelijke constructie is de stralingsbelasting van het tralie beduidend lager dan bij een constructie met één spiegel en een tralie. Ook de reflectiecoëfficiënt van een tralie-spie-10 gelcombinatie is groter dan die van een tralie alleen.

Het de bekende inrichting is het zeer goed mogelijk om in een continue C02-laser single-mode bedrijf te / verschaffen op een groot aantal ook zwakke overgangen.

Voor gepulseerde CC>2-lasers werkt het systeem eveneens 15 tot tevredenheid en kan een flink aantal van de zwakkere overgangen tot oscillatie worden gebracht. De bekende inrichting evenwel heeft ook beperkingen. Om oscillatie bij zwakke overgangen te verkrijgen moet de trilholte gevormd door de twee eindspiegels een zodanige geringe 20 kwaliteit hebben dat de ongewenste sterke overgangen beneden of slechts vlak boven de drempelwaarden blijven.

Deze eis evenwel leidt direct tot beperkingen voor de kwaliteit van de trilholte gevormd door enerzijds de ene eindspiegel en anderzijds de combinatie van eindspiegel 25 en tralie, zodat het niet goed mogelijk is oscillatie bij zeer zwakke overgangen te bewerken. Voorts werken de zwakke overgangen die wel tot oscillatie kunnen worden gebracht, niet voldoende ver boven de drempelwaarde om een groot laser-uitgangsvermogen te verkrijgen.

30 De uitvinding nu heeft tot doel de bekende inrichting te verbeteren en een laserinrichting te verschaffen waarin beter dan in de bekende inrichting zwakke overgangen tot oscillatie kunnen worden gebracht. Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een laserin-35 richting waarbij tenminste één van de twee eindspiegels is uitgevoerd als dichroïsche spiegel met zodanige frequen- 8700425 .-3- ψ\ tie-afhankelijke eigenschappen dat de reflectiecoëfficiënt voor een of meer geselecteerde zwakke overgangen in het lasermedium een gewenste waarde heeft en de reflectiecoëff iciënt voor sterkere overgangen minimaal is. Door 5 volgens de uitvinding tenminste één van de twee eindspie-gels als dichroische spiegel uit te voeren en de frequentie-afhankelijke eigenschappen geschikt te kiezen, kan worden bereikt dat de kwaliteit van de trilholte voor de ongewenste overgangen vrijwel op nul wordt geregeld, terwijl tezelf-10 dertijd de kwaliteit van de trilholte voor de gewenste golflengte, behorend bij de gewenste zwakke overgang veel groter kan worden gemaakt. Hierdoor kunnen veel zwakkere overgangen dan tot dusverre tot oscillatie worden gebracht en kan de opbrengst van de laser voor 15 de zwakke overgangen zeer veel groter zijn. Voorts worden na de dichroische spiegel opgestelde tere optische componenten zoals het tralie door een grotere reflectiecoëfficiënt van die dichroische spiegel beter beschermd.

De als dichroische spiegel uitgevoerde eindspiegel 20 in de laserinrichting volgens de uitvinding kan zijn verkregen door de desbetreffende eindspiegel te voorzien van een bekleding, zodanig dat de reflectiecoëfficiënt voor de gewenste zwakke overgang een zekere, gewenste waarde krijgt en de reflectiecoëfficiënt voor de sterke, 25 te onderdrukken overgangen minimaal wordt. Het aanbrengen van een dergelijke bekleding is niet eenvoudig, terwijl een dergelijke bekleding kwetsbaar is voor hoge stralings-belasting en slechts geschikt is voor een beperkt aantal zwakke overgangen. Volgens de uitvinding wordt daarom 30 de voorkeur gegeven aan een uitvoeringsvorm waarin de dichroische spiegel een reflectie-etalon is. Op geschikte wijze is het reflectie-etalon daarbij opgebouwd uit twee op korte afstand van elkaar opgestelde plaatjes van geschikt materiaal, waarbij van elk plaatje één 35 oppervlak niet bekleed is ofwel voorzien van een gedeeltelijk spiegelende bekleding en het andere oppervlak hetzij 6700425 > -4- / is voorzien van een antireflecterende bekleding, hetzij is opgesteld onder de hoek van Brewster. Een dergelijke constructie is bijvoorbeeld geschikt in het geval van een C02~laser, indien voor het materiaal van de plaatjes 5 b.v. germanium of zinkselenide wordt gekozen.

Toepassing van een reflectie-etalon is in het bijzonder gunstig in gevallen dat het verschil in frequenties van de zwakke, gewenste overgangen en de sterke, ongewenste overgangen klein is. Bij toepassing van een 10 reflectie-etalon bestaande uit twee spiegelende oppervlakken dienen deze bij voorkeur te zijn opgesteld op een afstand a van elkaar die ongeveer voldoet aan: _ _^_c_ 4 j v sterk - vzwakj waarin c de lichtsnelheid voorstelt en vsterk, resp.

15 vzwak de frequenties van de sterke, ongewenste overgang en de zwakke, gewenste overgang in het lasermedium. In dat geval is de reflectiecoëfficiënt voor de sterke overgang minimaal en voor de gewenste, zwakke overgang maximaal. Door de afstand a variabel te maken kan oscilla-20 tie worden verkregen op verschillende zwakke overgangen.

Hoewel in beginsel zowel de ene als de andere eindspiegel in de laserinrichting volgens de uitvinding de dichroïsche spiegel kan zijn, verdient het de voorkeur dat de eindspiegel aan de zijde van het tralie de dichrox-25 sche spiegel is.

Indien het single-mode bedrijven van de laserinrichting volgens de uitvinding problemen oplevert, kan het systeem nog verbeterd worden door tussen de dichroïsche spiegel en het tralie een geschikt transmissie-etalon 30 te plaatsen. De toepassing van een transmissie-etalon voor dit doel is op zichzelf bekend uit het artikel in Opties Communications, vol. 57, nr. 2, februari 1986, blz. 111-116.

De laserinrichting volgens de uitvinding kan f'&. *7 /Pr .·** » λ !" i I . i T- ;« r ; * V v 'V £*. ** » -5- nog verder worden verbeterd als volgt. Om de gewenste overgang tot oscillatie te brengen wordt een absorberend materiaal geplaatst in de trilholte gevormd door de twee eindspiegels. Het absorberend materiaal dient daarbij 5 te voldoen aan de eis dat het de sterke overgangen absorbeert en de zwakke, gewenste overgangen doorlaat zonder noemenswaardige verzwakking. Een probleem bij deze uitvoeringsvorm is dat voor iedere andere laserinrichting en eventueel voor iedere andere te begunstigen zwakke 10 overgang wellicht ander absorberend materiaal zal moeten wórden toegepast. Een uniform voorschrift met betrekking tot het absorberende materiaal kan derhalve niet worden gegeven.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand 15 van de tekening, waarin de enkele figuur een schematische weergave in doorsnede is door een uitvoeringsvorm van de laserinrichting volgens de uitvinding.

In de weergegeven inrichting is 1 een gebruikelijke laserbuis van het TEA-type (transversely excited 20 atmospheric). In de laserbuis 1 zijn twee elektroden 2 en 3 opgesteld, die ieder b.v. een lengte van 40 cm hebben, terwijl de afstand tussen de elektroden 2 en 3 b.v. 2 cm bedraagt. De elektrode 2 is via een door de wand van de laserbuis 1 gevoerde leiding 4 en de 25 elektrode 3 is via een soortgelijke leiding 5 verbonden met een niet weergegeven spanningsbron, met behulp waarvan een ontlading loodrecht op de bundelas in de laserbuis 1 kan worden bewerkstelligd. Als lasermedium kan in de laserbuis 1 een gas bestaande uit €0% helium, 20% 30 stikstof en 20% CO2 bij een totaaldruk van ongeveer 1 atmosfeer worden toegepast.

Nabij een uiteinde van de laserbuis 1 is de gedeeltelijk doorlatende spiegel 6 opgesteld. Zoals weergegeven is de spiegel 6 van het vlak-holle type 35 met de holle zijde gericht naar de laserbuis 1. Een geschikte spiegel is een vlak-hol plaatje van zinkselenide fi 7 r. r* y r ?* V 1 v V \ ·* »' -6- « met een diameter van 25 mm, een kromtestraal van 10 m en een reflectiecoëfficient van 60%.

Nabij het tegenovergestelde uiteinde van de laserbuis 1 is de volgens de uitvinding toe te passen 5 dichroische spiegel opgesteld die bij de weergegeven uitvoeringsvorm bestaat uit twee vlakke plaatjes 7 en 8 van b.v. zinkselenide, die ieder aan de van elkaar afgewende zijde zijn voorzien van een antireflecterende bekleding en aan de naar elkaar toegewende zijde niet -*-0 zijn bekleed. De plaatjes 7 en 8 hebben b.v. een diameter van 25 mm en een onderlinge afstand a van 63,5 /um.

De plaatjes 7 en 8 zijn ieder gemonteerd in niet weergegeven spiegelhouders teneinde een nauwkeurige evenwijdige opstelling van de plaatjes mogelijk te maken. Eén van -*-5 de beide spiegelhouders kan daarbij voorts op een transla-tieslede zijn bevestigd, teneinde de afstand a tussen de plaatjes 7 en 8 naar wens in te stellen.

Achter de dichroische spiegel 7, 8, gezien vanaf de laserbuis 1 is een tralie 9 van b.v. aluminium 20 opgesteld. Het tralie 9 heeft b.v. een diameter van 25 mm en een dikte van 10 mm, terwijl het op een afstand van ongeveer 9 cm van de dichroische spiegel 7, 8 is opgesteld. Een geschikt tralie heeft 150 lijnen per mm voor 10,6 /um met een blazehoek van ongeveer 52°.

25 Een laser kan zoals bekend bij verschillende discrete frequenties oscilleren, welke frequenties zijn gegroepeerd in zgn. banden, waar de oscillatie-modi dicht bij elkaar liggen. Voor een C02~laser worden deze aangegeven met 9 en 10, welke notatie tot uitdrukking 30 brengt dat de straling resp. een golflengte heeft tussen 9,1 en 9,9 /um en tussen 10 en 11 /um. De banden zijn weer onderverdeeld in takken, die worden aangegeven met de letters P en R, terwijl de individuele overgangen genummerd zijn naar de rotatietoestanden waar ze betrekking 35 op hebben. Deze nummering is overigens uitsluitend even.

In een C02~laser zijn de overgangen 10P20, 10P18, 10P22 il 7 ^ « 1 s~~ v! ^ v =; sr* £ -7- sterk en zijn ook de overgangen 10R16, 10R18, 9P18, 9P2Q, 9R16 sterk. Zwakke overgangen zijn b.v. 10R30, 10R32, 10R34 en volgende. Met de inrichting volgens de uitvinding is het mogelijk gebleken de zeer sterke 5 overgangen, met name 10P18-10P22 te onderdrukken en oscillatie van 10R34 en 10R36 en andere zwakke overgangen te verkrijgen, welke anders niet of moeilijk verkrijgbaar zijn. Bij de inrichting volgens de uitvinding werd een output van ongeveer 70 MJ per 100 nsec puls bereikt, 10 hetgeen een vermogen van 700 kW betekent.

In de laserbuis 1 van de inrichting volgens de uitvinding kan een absorberend materiaal zijn opgenomen dat de ongewenste sterke overgangen in het lasermedium absorbeert en de zwakke, gewenste overgangen niet bein-15 vloedt. Een dergelijk absorberend materiaal kan een gasmengsel zijn, waarvan de mengverhouding van de verschillende bestanddelen experimenteel in afhankelijkheid van de niet-gewenste en de gewenste overgangen dient te worden bepaald en dat b.v. bestaat uit SF5, C4P8 20 en geschikte andere fluor bevattende gassen.

8 7 0 Λ ’

Claims (7)

1. Laserinrichting, omvattende een trilholte waarin een lasermedium wordt gehouden, twee eindspiegels, opgesteld aan weerszijden van de trilholte, teneinde een resonator te bepalen, van welke twee eindspiegels tenminste 5 één gedeeltelijk doorlatend is, alsmede een achter de tenminste ene gedeeltelijk doorlatende eindspiegel opgestelde tralie, met het kenmerk, dat tenminste één van de twee eindspiegels is uitgevoerd als dichroische spiegel met zodanige frequentie-afhankelijke eigenschappen dat 10 <je reflectiecoëfficiënt voor een of meer geselecteerde 1 zwakke overgangen in het lasermedium een gewenste waarde heeft en de reflectiecoëfficiënt voor sterkere overgangen minimaal is.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, 15 dat de dichroische spiegel een reflectie-etalon is.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het reflectie-etalon is opgebouwd uit twee op korte afstand van elkaar opgestelde plaatjes van Ge of ZnSe, waarvan één oppervlak niet bekleed is en het andere 20 oppervlak hetzij is voorzien van een anti-reflecterende bekleding, hetzij is opgesteld onder de hoek van Brewster.

4. Inrichting volgens conclusies 2-3, met het kenmerk, dat het reflectie-etalon bestaat uit twee spiegelende oppervlakken die zijn opgesteld op een afstand 25. van elkaar die ongeveer voldoet aan: a = --- 4 vsterk - vzwak waarin c de lichtsnelheid voorstelt en vsterk, resp. vzwak de frequenties van de sterke, ongewenste overgang en de zwakke, gewenste overgang in het lasermedium.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de afstand a tussen de oppervlakken van het reflectie-etalon instelbaar is. ft “? p- Λ ί Γ' L W i i ^ -9- &

6. Inrichting volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de eindspiegel aan de zijde van het tralie de dichroïsche spiegel is.

7. Inrichting volgens conclusies 1-6, met het 5 kenmerk, dat in de trilholte gevormd door de twee eind-spiegels, een absorberend materiaal is opgesteld dat de ongewenste sterke overgangen in het lasermedium van de inrichting absorbeert en de zwakke, gewenste overgangen zonder noemenswaardige verzwakking doorlaat. fc ? i;i·