SE503068C2 - Laserresonator för minst två lasermoder - Google Patents

Description

(fl .fi L' 'f fl/'O ps uao 2 efterföijande sjäivständiga patentkravet. Övriga krav avser iämpiiga utföringsformer av uppfinningen.

I det föijande kommer uppfinningen att beskrivas närmare under hänvis- ning tiii bifogade ritningar, där fig. 1 - 6 visar oiika utföringsformer av iaserresonatorer enligt uppfinningen, fig. 7 visar geometrin för en Fabry-Perot etaion och fig. 8 visar en skiss över iasermodernas infaiisvinkei mot etaionen.

Den grundiäggande idén vid uppfinningen är att man skapar den önskade fasta skiiinaden i osciiiationsfrekvens meiian oiika iasermoder genom att ieda dessa i oiika vinkei genom en F-P etaion. Den frekvens som kommer att osciiiera i resonatorn bestäms av den infaiisvinkei respektive iasermod har mot etaionytan. Detta ger den önskade fasta skiiinadsfrekvensen. När iasern pâverkas av yttre faktorer ger dessa samma frekvensändring i de oiika moderna men frekvensskiiinaden håiis konstant. Genom att ändra etaionens vinkel mot iaserns huvudaxei kan skiiinadsfrekvensen justeras.

Laserresonatorns geometri kan arrangeras på fiera oiika sätt. Man kan använda oiika former på iaserspegiarna och på iasermediets ytor. Man kan även piacera ett optiskt brytande eiement i resonatorn meiian iasermediet och etaionen.

I figur 1 visas en utföringsform av uppfinningen med ett iinspaket i resonatorn. Lasermediet 2 pumpas med en iaserdiod 1 vars stråie har deiats upp med hjäip av stråideiande optik eiier fiberkoppiing tiii två iikadana paraiieiia stråiar som fokuseras mot ïasermediet pâ någon eiier några miiiimeters avstånd från varandra. Det går naturiigtvis att använda tvâ oiika iaserdioder men skiiinader i uteffekt och våg- iängd meiian oiika dioder kan påverka fastatiiistândsiaserns prestanda.

I det visade exempiet ändpumpas iasermediet 2 via sin ena ändyta som är högrefiekterande för iaserns vâgiängd, men högtransmitterande för f'r1v rar n 3 (BUS v00 pumpvåglängden. Ändytan utgör därmed den högreflekterande spegeln 4 för de båda lasermoderna i laserresonatorn. Det är naturligtvis möjligt att i stället använda en separat högreflekterande spegel 4 utanför lasermediet. i Lasermoderna 10,11 har var sin utkopplingsspegel 5,6 och mellan dem finns ett linspaket 7 som avbildar pumpvolymerna på utkopplings- speglarna på ett sådant sätt att mellan linspaket och speglarna har lasermoderna till stor del plana fasfronter. Linspaketet 7 kan vara konstruerat av en eller flera sfäriska linser. Linserna måste ha extremt låg absorption vid laservåglängden och bör vara antireflex- behandlade för minsta möjliga förlust.

Minst en Fabry-Perot etalon 3 är placerad mellan linspaketet 7 och utkopplingsspeglarna 5,6 där de plana fasfronterna ger låga diffrak- tionsförluster. Eftersom lasermoderna 10,11 har olika innfallsvinkel mot etalonen kan man, genom att ändra vinkeln mellan etalonytan och lasermodernas utbredningsriktning, kontrollera skillnadsfrekvensen mellan lasermoderna.

I stället för ett linspaket kan man använda ett brytande prisma 8.

Figurerna 2a och 2b visar hur man kan bryta lasermoderna 10,11 mot varandra respektive från varandra. Alla ytor bör vara antireflex- behandlade eller monterade i Brewstervinkel.

I figur 3a visas ytterligare ett exempel med ett intrakavitetsprisma 8. Här är prismat rombformat. Lasermodernas 10,11 infallsvinkel mot ytorna närmast lasermediet är Brewstervinkel för prismat och de andra ytona har en något mindre vinkel mot varandra så att moderna bryts mot- varandra.

Man kan också använda denna geometri på ett annat sätt. I figur 3b visas en variant där lasermediet 2 är rombformat och pumpas med hjälp av två pumpkällor 1 från motsatt riktning jämfört med övriga exempel i figurerna. Den högreflekterande spegeln benämns som tidigare 4 och utkopplingsspeglarna 5 och 6.

E"{\'7 =~_. -a xJxav C68 4 Ett annat sätt att uppnå att de olika lasermoderna 10,11 passerar Fabry-Perot etalonen 3 under olika vinkel visas i figur 4. Här används en högreflekterande sfärisk spegel 4 som tillsammans med utkopplings- speglarna 5,6 definierar de olika lasermoderna. De moder som ges av speglarnas krökningsradier korsar varandra i en punkt. I denna punkt placeras lasermediet 2. Lasern kan pumpas antingen från sidan eller genom den högreflekterande spegeln, s.k. ändpumpning.

Eftersom lasermoderna 10,11 överlappar varandra i lasermediet 2, kommer de att vara starkt kopplade till varandra. Det kan därför vara lämpligt att använda ortogonalt linjärpolariserade moder för att förhindra denna koppling. Även i detta fall är det möjligt att utforma ena ändytan hos laser- mediet 2 som den sfäriska högreflekterande spegelytan 4.

Om man i stället för en sfärisk högreflekterande spegel använder en plan högreflekterande spegel kan moderna 10,11 arrangeras bredvid varandra i lasermediet 2, på samma sätt som i fallet med intra- kavitetselement. Moderna kan vara parallella, divergerande eller konvergerande i lasermediet.

Figur Sa och 5b visar en laserresonator med en enda plan högreflek- terande spegel 4 för samtliga lasermoder 10,11. I figurerna är spegeln utförd på lasermediets 2 ena ändyta, men kan naturligtvis vara ett separat element. Lasermediets motsatta ändyta 9 är utformad så att lasermoderna vinklas i förhållande till varandra. I figurerna visas hur ändytan 9 kan vara uppdelad i delytor som är vinklade i förhållan- de till vareandra och därigenom ge den önskade vinklingen av laser- moderna.

Man kan även tänka sig att den högreflekterande spegeln 4 består av en plan spegelyta för varje lasermod 10,11 och att dessa spegelytor bildar en vinkel med varandra så att lasermodernas utbredningsrikt- ningar blir olika. Figur 6a och 6b visar exempel på detta.

I det följande ges ett exempel på ett konkret val av ingående kompo- nenter i och uppbyggnad av en laserresonator enligt uppfinningen.

U1 (fl CJ Lß; fw \ .J (_)'\ C I) Lasermediet 2 kan utgöras av en yttrium-1itium-fiuorid-krista11 som är dopad med thuiium och hoimium (Th,Ho:YLF), viïket medför att ïasern osciïïerar med en vâgiängd på 2,06 pm. Pumpkäïian 1 ska11 då pumpa ïasermediet med en pumpvâg1ängd som är avpassad ti11 iasermediets absorption. I detta fa11 med en vågiängd på 0,792 pm.

Utkoppiingsspegïarnas 5,6 utformning och piacering bestäms av den ut- formning som 1aserresonatorerna ska11 ha. När man använder en p1an Högrefïekterande spegei 4 krävs för stabiï funktion en utkoppïings- spege1 med krökningsradie. Krökningsradien bestäms av den va1da kavi- tets1ängden. Den optiska pumpningen ger förstärkning i 1asermediet.

Förstärkningen avgör sedan hur stor transmission i utkoppïingsspegeln för 1aservåg1ängden 2,06 pm som medges för optimaï funktion.

För bästa funktion krävs även att övriga förïuster minimeras, dvs. a11a ytor i laserkaviteten (meiian den högrefïekterande spegeïn och en utkoppiingsspegeï) utom på F-P etalonen antiref1exbehand1as för ïaser- vågiängden.

Lasermoderna ges en inbördes vinke1 enïigt någon av figurerna 1 - 6.

Med kännedom om 1asermodernas vinkei kan en F-P etaïon monteras i kaviteten med en vinke1 mot iaserns huvudaxei eniigt de ekvationer som anges sist i denna beskrivning, så att ïasern emitterar de frekvenser som önskas.

I samtïiga visade exempeï förekommer två o1ika 1asermoder 10,11. Inget hindrar emeïiertid att man förfar på samma sätt med fler iasermoder.

Lasermoderna kan då fortfarande separeras i figurernas pïan, dvs. ïängs en iinje i ett tvärsnitt ti11 figurerna, men man kan naturïigt- vis även använda den tredje dimensionen, så att de fördeïas i två dimensioner över ett tvärsnitt ti11 figurerna.

I de fa11 moderna 10,11 inte överiappar varandra i 1asermediet 2 kan man förhindra att moderna påverkar varandra i iasern genom att tiii- verka ïasermediet med en de1 per iasermod, viïka deiar sammanfogas med ett för ïaserstrâlningen ogenomträngiigt, termiskt iedande skikt, t.ex. ett indiumfoiium, me11an delarna.

(TI C.) c-si CD O'\ CI D Siutiigen skaïï här för fuiiständighets sku11 ges en kort matematisk beskrivning av en Fabry-Perot etaions 3 transmissionsegenskaper. Dessa beskrivs av T_ u-RJZ _ (1-R)2 + 4R s1n2( å/ 2) ' där T är etaionens transmission och R är eta1onytornas refiexions- faktor. Fasfaktorn 8 ges av _ 4Üfndf cos _ C , där n är etaïonens brytningsindex, d är dess tjockiek, f är strâi- ningens frekvens och qb representerar infaiisvinkeïn mot etaionen 3 enïigt figur 7.

Infaiïsvinkeïn 45 beror av etalonens vinkei §§ och ïasermodernas 10,11 vinkei ß mot ïaserns huvudaxei 12 eniigt figur 8. <ß = e i Ûš-ë» Lasermodernas 10,11 vinkeï É9 ges i faiiet i figur 4 av utkoppiings- spegiarnas 5,6 positioner. Med pïana vinkiade högrefiekterande spegïar 4 enïigt figurerna 6a och 6b ges modernas vinkeï av den högrefïekter- ande spegeins vinkeï mot Iaserns huvudaxei 12 och brytningen i ïaserns andra yta 9 där brytningsvinkein ges av Sne11s brytningiag.

Med en heit plan högrefiekterande spegei och brytning i ïaserns andra yta 9 eniigt figurerna Sa och 5b e11er med ett intrakavitetseiement 7,8 eniigt figurerna 1, Za, Zb och 3 ges vinkiarna av Sneiis brytningsiag.

Claims (10)

*J C. .J (_, 4 CI) (ß CO Patentkrav:

1. Laserresonator för minst tvâ lasermoder (10,11) från ett optiskt pumpat (1) lasermedium (2), där varje lasermod reflekteras mellan en högreflekterande spegel (4) och en utkopplingsspegel (5,6), k ä n n e t e c k n a d a v att den återkopplar och separerar minst tvâ longitudinella lasermoder (10,11) med en given stabil frekvens- skillnad mellan moderna genom att lasermediet (2) är anordnat att avge det aktuella antalet lasermoder, som är anordnade att passera en Fabry-Perot etalon (3) under olika vinkel.

2. Laserresonator enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att de olika lasermoderna (10,11) vid uttrâdet ur lasermediet (2) är väsentligen parallella och att ett optiskt brytande intra- kavitetselement (7,8) är anordnat att bringa dem att passera Fabry- Perot etalonen (3) under olika vinkel.

Laserresonator enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d a v att det brytande elementet är en lins eller ett linspaket (7). 00 Laserresonator enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d a v att det brytande elementet är ett prisma (8).

4>

5. Laserresonator enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att de olika lasermoderna (10,11) utbreder sig linjärt och icke- parallellt mellan lasermediet (2) och respektive utkopplingsspegel (5,6)-

6. Laserresonator enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att den högreflekterande spegeln (4) har sfärisk yta och de olika utkopplingsspeglarna (5,6) är placerade så att de lasermoder (10,11) som ges av speglarnas krökningsradier korsar varandra i en punkt, i vilken lasermediet (2) är placerat.

7. Laserresonator enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att den högreflekterande spegeln (4) består av en plan yta för alla aktuella lasermoder (10,11) och lasermediets från denna vända yta (9) är utformad så att de olika lasermoderna blir icke-parallella. ( 'n (f) (JJ (f) CJ*- (ff)

8. Laserresonator enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att den högreflekterande spegeln (4) består av en plan yta för varje lasermod (10,1l), vilka spegelytor är inbördes vinklade i förhållande till varandra så att de olika lasermoderna blir ieke- parallella.

9. Laserresonator enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n - n e t e c k n a d a v att den högreflekterande spegeln (4) är utförd på lasermediets (2) ena ândyta.

10. Laserresonator enligt något av patentkraven 1-5 och 7-9, k ä n - n e t e c k n a d a v att lasermediet (2) består av en del per lasermod (l0,11), vilka delar är sammanfogade med ett för laserstrål- ningen ogenomträngligt, termiskt ledande skikt.