DE2102114A1

DE2102114A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aus gleichen von Doppelbrechung in einem Laser system

Info

Publication number: DE2102114A1
Application number: DE19712102114
Authority: DE
Inventors: Walter Malibu Calif Koechner (V St A)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1970-02-11
Filing date: 1971-01-18
Publication date: 1971-08-19
Also published as: DE2102115A1; US3662281A; FR2079364A1; FR2079363A1; GB1284529A; GB1284530A; US3609584A; FR2079363B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ausgleichen von Doppelbrechung in einem Lasersystem.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Serial No. 10,513 vom 11. Februar 1970 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleichen von Doppelbrechung, die in einem Laserstab durch Wärmespannungen hervorgerufen wird.

Doppelbrechung oder die Aufspaltung eines einfallenden Lichtbündels in zwei sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitenden Komponenten tritt in vielen Fällen in optischen Vorrichtungen auf, die unter ungleichförmigen Spannungen stehen. Festkörper-Laserwerkstoffe wie z.B. Laserstäbe, die entweder im eingeschwungenen Zustand oder im ungedämpften Zustand betrieben werden, müssen eine erhebliche Wärmemenge abführen. Bei zylindrischer Formgebung, die am weitesten verbreitet ist, wird die Wärme von der Umfangsflache des Zylinders abgeführt, wodurch ein radialer Wärmegradient erzeugt wird. Infolge der Temperaturunterschiede innerhalb des Laserstabes werden in diesem unterschiedliche Spannungen erzeugt, welche die Entstehung von Doppelbrechung zur Folge haben.

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Bei vielen Lasersystemen wird ein linear polarisierter Strahl benötigt, wie z.B. in Systemen mit elektro-optischem Q-Schalten, akustisch-optischer Modulation und Frequenzverdoppelung. Die Leistungsabgabe eines Lasers, dessen Strahl linear polarisiert sein muß, wird aufgrund der Doppelbrechung ganz erheblich verringert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, vermittels welcher die in einem Lasersystem auftretende Doppelbrechung aufgehoben und die Leistungsabgabe des Systems gesteigert wird.

Das zu diesem Zweck vorgeschlagene Verfahren beruht darauf, daß ein Ausgleichsmaterial in optische Ausrichtung mit dem Lasermaterial gebracht und in dem Ausgleichsmaterial künstliche Spannungen in einem den Spannungen in dem Lasermaterial entgegengesetzten Sinn erzeugt und vermittels dieser Spannungen eine die in dem Lasermaterial hervorgerufene Doppelbrechung im wesentlichen aufhebende Doppelbrechung in dem Ausgleichsmaterial hervorgerufen wird, die zu einer größeren Leistungsabgabe des Lasermaterials führt als die ohne Ausgleichsmaterial. Die physikalischen Eigenschaften des Ausgleichsmaterials werden ähnlich oder gleich denen des Lasermaterials gewählt, und das Ausgleichsmaterial wird künstlich erhitzt, um in diesem Wärmespannungen in einem den Wärmespannungen in dem Lasermaterial entgegengesetzten Sinn zu erzeugen. Der Erwärmungsgrad des Ausgleichsmaterials wird so lange verändert, bis die durch die künstlichen Spannungen in dem Ausgleichsmaterial erzwungene Doppelbrechung die durch die Wärmespannungen in dem

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Lasermaterial auftretende Doppelbrechung im wesentlichen ganz aufhebt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten Festkörper-Lasersystems, auf das die Erfindung anwendbar ist.

Fig. 2 ist eine stirnseitige Ansicht in Richtung der

Pfeile 2-2 auf das in Fig. 1 verwendete Laser- d

material und zeigt die in dem Material hervorgerufene Doppelbrechung.

Fig. 3 ist eine qualitative Darstellung des Temperaturverlaufs in verschiedenen Radialabständen innerhalb des Lasermaterials der Fig. 2.

Fig. 4 ist eine sche:aatische AuiTi^Q^nsicht von vorn des zum Ausgleich der Doppelbrechung dienenden und anhand der Figuren 2 und 3 beschriebenen Ausgleichssystems.

Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der durch die Pfeile ™ 5-5 in Fig. 4 bezeichneten Linie.

Fig. 6 zeigt die Temperatur in verschiedenen Radialabständen innerhalb des in den Figuren 4 und 4 dargestellten Ausgleichsmaterials.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung des Lasersystems der Fig. 1 in Verbindung mit dem Ausgleichssystem der Figuren 4 und 5·

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In Pig. 1 ist ein Lasermaterial in der Form eines Laserstabes 10 dargestellt, der von einer schraubenförmig gewendelten Blitzlichtlampe 11 umgeben ist, die von einer Lichtpumpquelle 12 gespeist wird. In optischer Ausrichtung mit dem Stab 10 stehende und in geeigneter Weise ausgebildete Endspiegel 13 und 14 bilden einen optischen Hohlraum für den Laser. Wenn vermittels der Blitzlichtlampe 11 Licht in den Stab 10 gepumpt wird, ergibt sich eine umgekehrte Bevölkerungsverteilung der Laserstabionen, und am Schwellwert fallen die auf einem oberen Energieniveau befindlichen Laserionen auf ein niedrigeres Energieniveau zurück, wobei simulierte Strahlungsemission auftritt, die durch Regenerationswirkung zwischen den Endspiegeln 13 und 14 noch verstärkt wird. Der Endspiegel 14 soll teildurchlässig uasgebildet sein, so daß der Laserstrahl aus dem optischen Hohlraum ausgekoppelt werden kann.

Normalerweise sind der Laserstab 10 und die schraubenförmig gewendelte Blitzlichtlampe 11 von einem Gehäuse oder "Kopf" umgeben, durch welches bzw. durch welchen ein Kühlmittel umgewälzt wird. Die Kühlung des Stabes 10 erfolgt daher im wesentlichen an der zylindrischen Oberfläche des Stabes, so daß in diesem ein von der Mitte zu dem Umfang des Stabes gerichteter Temperaturgradient erzeugt wird.

In Fig. 2 ist die Temperatur des Stabes 10 in seiner

Mitte mit T_ bezeichnet und wesentlich höher als die mit T ο s

bezeichnete Temperatur des Stabes an seiner Oberfläche. Infolge dieses Temperaturgradienten wird eine Wärmespannung

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hervorgerufen, wobei die Mitte des Stabes im wesentlichen unter Druckspannung, und die Oberfläche des Stabes unter Zugspannung steht.

Ein an einer Stelle P auffallender Lichtstrahl wird in zwei Lichtstrahlen aufgespalten, die jeweils in radialer bzw. in tangentialer Richtung polarisiert sind. Die mit η bzw. n_fc bezeichneten Brechzahlen in beiden Richtungen sind unterschiedlich voneinander. Für einen mit Neodym dotierten ■ ι YAG-Laserstab ist die Brechzahl der radialen Komponente des polarisierten Lichts größer als die für die tangentiale Komponente. Dieses Verhältnis wird durch die Brechzahlellipse in Fig. 2 angedeutet.

Die Kurve 15 in Fig. 3 zeigt den für das Lasermaterial 10 der Fig. 2 beschriebenen Temperaturverlauf. Wie aus dieser Kurve zu ersehen ist, hat die Temperatur einen Maximalwert in der Mitte des Stabes und nimmt mit zunehmendem Halbmesser zum Umfang des Stabes hin ab.

Entsprechend dem Verfahren und der Vorrichtung nach der % Erfindung wird in den Laserhohlraum der Fig. 1 ein Ausgleichsmaterial eingebracht, dessen physikalische Eigenschaften denen des Lasermaterials ähnlich oder gleich sind und z.B. eine dem Laserstab entsprechende radiale Symmetrie aufweisen, wobei jedoch in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die für die tangentiale Komponente erzeugte Brechzahl größer ist als die für die radiale Komponente.

Indem ein derartiges Ausgleichsmaterial entsprechend dem erfindungagemäßen Verfahren in optische Ausrichtung mit dem

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Laserstab gebracht wird, wird die in dem Laserstab hervorgerufene Doppelbrechung durch die in dem Ausgleichsmaterial künstlich erzeugte Doppelbrechung im wesentlichen aufgehoben.

In Fig. U ist eine praktische Ausführungsform zur Erzielung des vorstehend beschriebenen Ausgleichs dargestellt. Das Ausgleichsmaterial hat die B'orm einer Scheibe l6, deren Durchmesser wenigstens ebenso groß ist wie der Durchmesser des Laserstabs 10 der Fig. 2. Die physikalischen Eigenschaften der Scheibe sind denen des Laserstabs ähnlich oder gleich, und für einen YAG-Laser besteht die Scheibe 16 selbst vorzugsweise aus undotiertem YAG.

Wie Fig. 4 zeigt, umgibt ein Metallring 17 den Umfang der Scheibe und steht in inniger Wärmeübertragungsverbindung mit diesem. Der Ring 17 trägt elektrische Heizelemente 18. Der Grad der Wärmezufuhr vermittels dieser Heizelemente läßt sich vermittels einer geeigneten Steuervorrichtung wie z.B. der durch den Kasten 19 angedeuteten elektrischen Steuerung einstellen oder verändern, durch welche die Stromzufuhr zu den Heizelementen eingestellt wird.

Fig. 5 zeigt die Anordnung von Scheibe, Metallring und Heizelementen im Querschnitt.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird durch die Erwärmung der Heizelemente der Ring erhitzt und ruft somit einen Temperaturgradienten in dem Scheibenmaterial 16 hervor, wobei die Temperatur an der Außenseite eier Scheibe einen Maxiinalwei-t und in der Mitte derselben einen Minin.ali/ert aufweist- Der Temperaturgradient ist in Fi^- 6

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die Kurve 20 dargestellt, aus welcher ersichtlich ist, daß die Temperatur von der Mitte der Scheibe radial nach außen zunimmt. In der in Fig. H dargestellten Brechzahlellipse ist somit die Tangentialkomponente n. ' größer als die Radialkomponente η ·.

Fig. 7 zeigt die Ausgleichsscheibe mit ihren zugeordneten Bauelementen innerhalb des Laserhohlraums des Systems der Fig. 1, wobei sämtliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie zuvor bezeichnet sind. J

Die Arbeitsweise der Ausgleichsvorrichtung dürfte bereits aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sein. Für jeden Festkörper-Laserstab wird die Ausgleichsscheibe vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das dem Wirtskristallmaterial des Lasers entspricht. Das Scheibenmaterial kann daher z.B. aus Glas oder im Falle eines YAG-Läse-,!'ε c r-.bes aus undc: *?rtem Yttrium-Aluminium-Granat bestehen.

Die Scheibe befindet sich innerhalb des optischen Hohlraums entsprechend der Darstellung der Fig. 7 in Ausrichtung

mit dem Laserstab ₃ und die Erwärmung des Umfangsrmgs 17 wird ^ durch Steuerung der Stromzufuhr zu den Heizelementen 18 vermittels der Steuerung 19 gesteuert.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel verläuft der in der Ausgleichsscheibe künstlich erzeugte Wärmegradient von dem Umfang der Scheibe zur Mitte und damit im entgegengesetzten Sinn zu dem in dem laserstab bei Kühlung des Umfangs auftretenden Wärmegradienten. Auf diese Weise werden in der Äusgleichsscheibe künstliche Wärmespannungen erzeugt, die

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eine Doppelbrechung der Scheibe zur Folge haben.

Die Wärmezufuhr zu der innerhalb des optischen Hohlraums befindlichen Ausgleichsscheibe läßt sich während des Betriebs des Lasers ändern, um die Wärmespannungen zu verändern und damit die künstlich erzeugte Doppelbrechung so lange zu verändern, bis die Doppelbrechung des Lasermaterials aufgehoben wird.

Die von vielen unterschiedlichen Laserstäben abgegebene Strahlung hat bereits die Form linear polarisierten Lichts. Bei anderen Systemen wiederum wird ein Polarisator in dem optischen Hohlraum des in Fig. 7 dargestellten Systems angeordnet, um linear polarisiertes Licht für elektro-optisches Q-Schalten oder andere Vorgänge zu erhalten, für die ein polarisierter Strahl benötigt wird.

Durch die Aufhebung der Doppelbrechung des linear polarisierten Lichts läßt sich die Leistungsabgabe des Lasers im Vergleich zu der Leistung, die ohne das Ausgleichsmaterial erhalten wird, steigern.

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Claims

Patentansprüche :

Verfahren zum Ausgleichen von in einem Lasermaterial durch Spannungen hervorgerufener Doppelbrechung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgleichsmaterial (16) in optische Ausrichtung mit dem Lasermaterial (10) gebracht und in dem Ausgleichsmaterial künstliche Spannungen in einem den Spannungen in dem Lasermaterial entgegengesetzten Sinn erzeugt und vermittels dieser Spannungen ein die in dem Lasermaterial · j hervorgerufene Doppelbrechung im wesentlichen aufhebende Doppelbrechung in dem Ausgleichsmaterial hervorgerufen wird, die zu einer größeren Leistungsabgabe des Lasermaterials führt als die ohne Ausgleichsmaterial.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelbrechung durch Wärmespannungen hervorgerufen wird, wobei die physikalischen Eigenschaften des Ausgleichsmaterials ähnlich oder gleich denen des Lasermaterials gewählt werden und die künstlichen Spannungen durch erzwungene ι Erhitzung des Ausgleichsmaterials und die dadurch bedingte Erzeugung von Wärmespannungen in einem den Wärmespannungen in dem Lasermaterial entgegengesetzten Sinn erzeugt werden, und daß der Erwärmungsgrad des Ausgleichsmaterials so lange verändert wird, bis die durch die künstlichen Spannungen in dem Ausgleichsmaterial erzwungene Doppelbrechung die durch die WärmeSpannungen in dem Lasermaterial auftretende Doppelbrechung im wesentlichen ganz aufhebt.

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3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch. 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Ausgleichsmaterial (16), dessen physikalische Eigenschaften denen des Lasermaterials (10) ähnlich oder gleich sind, eine Vorrichtung (17, 18) zum Zuführen von Wärme zu dem Ausgleichsmaterial an Stellen, die in dem Material zur Entstehung von Wärmegradienten führen, welche künstliche Spannungen in einem den in dem Lasermaterial entwickelten Wärmespannungen entgegengesetzten Sinn zur Folge haben, und durch eine Vorrichtung (19), die dazu dient, die Wärmezufuhr vermittels der Heizvorrichtung so lange zu verändern, bis die durch die künstlichen Wärmespannungen erzwungene Doppelbrechung die durch WärmeSpannungen in dem Lasermaterial hervorgerufene Doppelbrechung aufhebt, wobei sich das Ausgleichsmaterial innerhalb eines das Lasermaterial enthaltenden optischen Hohlraums befindet und mit dem Lasermaterial optisch ausgerichtet ist und diese Anordnung dazu dient, die Leistungsabgabe des Lasermaterials im Vergleich zu der ohne Ausgleichsmaterial zu steigern.

k. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsmaterial die Form eines scheibenförmigen Körpers (16) aufweist, die Heizvorrichtung aus einem in inniger Wärmeübertragungsverbindung mit dem Umfang der Scheibe stehenden wärmeleitfähigen Metallring (17) und mit dem Ring verbundenen elektrischen Heizelementen (18) besteht, welche dazu dienen, den Ring in einer solchen Weise zu

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erhitzen, daß radial nach innen gerichtete Wärmegradienten entstehen, und daß die zur Veränderung der Wärmezufuhr dienende Vorrichtung aus einer mit den elektrischen Heizelementen verbundenen und zum Einstellen der Stromaufnahme der Heizelemente dienenden elektrischen Steuerung (19) besteht.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, bestehend aus einem Lasersystem mit einem Lasermaterial, einer zum Induzieren einer umgekehrten Bevölkerungsverteilung der Laserionen in dem Lasermaterial dienenden % Lichtpumpquelle und in optischer Ausrichtung mit dem Material angeordnete und einen optischen Hohlraum begrenzende erste und zweite Endspiegel, gekennzeichnet durch ein dem optischen Hohlraum in optischer Ausrichtung mit dem Lasermaterial (10) angeordnetes Ausgleichsmnfcerial (16), dessen optische Eigenschaften denen des Lasermaterials ähnlich oder gleich ^:nd, eine mit dem Ausgleichsmaterial an bestimmten Stellen verbundene Heizvorrichtung (17, 18), die dazu dient, Wärmegradienten in dem Ausgleichsmaterial in Richtungen zu erzeugen, Jj welche erzwungene Wärmespannungen in einem entgegengesetzten Sinn zu den durch die Lichtpumpquelle in dem Laserraaterial erzeugten Wärmespannungen zur Folge haben, und durch eine mit der Heizvorrichtung verbundene Steuervorrichtung (19) zum Verändern der Wärmezufuhr und der durch diese durch die erzwungenen Wärmespannungen in dem Ausgleichsmaterial erzeugte Doppelbrechung, bis diese die in dem Lasermaterial durch Wärmeeinwirkung bedingte Doppelbrechung im wesentlichen vollständig aufhebt.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermaterial aus einem Pestkörper-Stab vorgegebenen Durchmessers, und das Ausgleichsmaterial aus einer Scheibe von einem dem vorgegebenen Durchmesser wenigstens gleich großen Durchmesser besteht, die Heizvorrichtung aus einem in inniger Wärmeübertragungsverbindung mit dem Umfang des Scheibenkörpers stehenden wärmeleitfähigen Metallring (17) und an dem Ring angeordneten elektrischen Heizelementen (18) besteht, die dazu dienen, den Ring in einer solchen V/eise zu erhitzen, daß radial nach innen gerichtete Warmegradienten entstehen, und daß die Steuervorrichtung aus einer mit den elektrischen Heizelementen verbundenen und zum Einstellen der Stromzufuhr zu den Heizelementen dienenden elektrischen Vorrichtung (19) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Scheibe aus Glas besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab (10) aus einem mit Neodymionen dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Wirtskristall, und der Scheibenkörper (16) aus undotiertem Yttrium-Aluminium-Granat besteht.

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