DE2725675A1

DE2725675A1 - Laser

Info

Publication number: DE2725675A1
Application number: DE19772725675
Authority: DE
Inventors: Peter Labudde; Heinz P Prof Dr Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-06-06
Publication date: 1977-12-29
Also published as: FR2356296A1; JPS52156594A; NL7706405A; CH597701A5

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser, dessen Lasermedium fest, flüssig oder gasförmig sein kann.

Dabei wird unter einem Laser sowohl ein Laser-Verstärker als auch ein Laser-Oszillator bzw. Laser-Generator verstanden.

Die mit der Pumpenergie zunehmende Verstärkung eines Lasers ist durch verschiedene Verluste begrenzt. Verluste entstehen insbesondere durch die sogenannten Flüstermoden (Whispering Modes (oder auch Parasitic Modes). Flüstermoden entstehen durch spontane Lichtemmission

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im Lasermedium, wobei das Licht an den das Medium begrenzenden Flächen reflektiert und auf asinem Weg im Lasermedium verstärkt

wird. Durch diesen unerwünschten-Mechanismus wird die Besetzungsinversion abgebaut und die Verstärkung nimmt ab.

ZurVermeidung dieser Verluste ist es bei Festkörperlasern üblich,

die Mantelfläche des Laserstabs (d.i. die das Lasermedium begrenzende Fläche) so aufzurauhen, dass die Rauhigkeit bzw. Rauhtiefe im Be reich der Lichtwellenlänge liegt. Dadurch wird eine Totalreflexion an der Mantelfläche verhindert. Auf die rauhe Mantelfläche auftreffendes Licht wird aber diffus reflektiert, wobei der grössere Teil des Lichts in den Laserstab zurück reflektiert wird, was wiederum zu einem Abbau der Be 33t zunge inversion und damit zu einer Abnahme der Verstärkung führt.

Um das auf die Mantelfläche auftreffende Licht vollständig aus dem Stab auszukoppeln und damit eine höhere Verstärkung zu erreichen, ist ferner vorgeschlagen worden, den Stab mit einer Flüssigkeit zu umgeben, deren Brechungsindex gleich dem Brechungsindex des Stabes ist (sogenannte Index-Matching). Nach diesem Vorschlag kann ein hoher Auskopplungsgrad und damit eine hohe Verstärkung jedoch nur bei genauer Uebereinstimmung der Brechungsindices erreicht werden. Das isit aber praktisch kaum realisierbar, weil im Laserstab Wärme entsteht und die Brechungsindices in verschiedenem Masse temperaturabhängig sind. Zudem existieren keine geeigneten Flüssigkeiten für Laseretäbe mit hohem Brechungsindex.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die V_erstärkung eines Lasers durch vollständigeres Auskoppeln der Flüstermoden aus dem Eßermedium zu erhöhen.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass mindestens ein Teil der Mantelfläche der Begrenzung des Lasermediums Vertiefungen mit glatten Flächen aufweist, die zur Vermeidung von Totalreflexionen der Eigenfluoreszenzstrahlung angeordnet sind. Diese Vertiefungen sind gross im Vergleich zur Wellenlänge der Laserstrahlung. Sie weisen im Gegensatz zu einem aufgerauhten Stab eine wohldefinierte geometrische Struktur auf.

Bei einem Festkörperlaser, dessen Lasermedium z.B. ein Stab aus Kristall ist, ist die Begrenzung des Lasermediums die Oberfläche des Stabes. Bei einem Gas- oder Flüssigkeitslaser, bei dem das das Lasermedium bildende Gas bzw. die Flüssigkeit in einem Rohr aus lichtdurchlässigem Material (Quarz, Glas) angeordnet ist, ist die Begrenzung des Lasermediums die Innenwand des Rohres.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnung Ausführungebeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Laser-Veretärkers mit einem Laserstab,

Pig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 den Verlauf der Verstärkung eines Laser-Verstärkers

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in Abhängigkeit von der Pumpenergie für einen üblichen glatten und einen üblichen aufgerauhten Laserstab und für den Laserstab des Laser-Verstärkers nach Fig. 1 und 2.

Fig. 4 Lichtwege an der Mantelfläche eines üblichen glatten Laserstabes,

Fig. 5 Lichtwege an der Mantelfläche des Laserstabes des Laser-Verstärkers nach Fig. ι und 2 und I

Fig. 6 Längsschnitte durch andere Aasführungsformen von Laserstäben.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Laser-Verstärker hat ein j Gehäuse 1, 3 und 4 mit einem zylindrischen Hohlraum 2, dessen Stirnseiten durch zwei Platten 3 und 4 abgeschlossen sind. Die den Hohlraum 2 begrenzende Innenfläche 5 des Gehäuseteiles 1 ist licht reflektierend, z.B. weiss oder verspiegelt.

Im zylindrischen Hohlraum 2 sind parallel zu dessen Zylinderachse eine stabförmige Blitzlichtlampe 6 und ein zylindrischer Laserstab 7, z.B. aus Rubin, oder aus mit Neodym dotiertem Yttrium Aluminium-Granat (YAG) oder Glas angeordnet. Die Blitzlichtlampe 6 und der Laserstab 7 sind mittels O-Ringen8in Gewindebohrungen 9 bis 12 der Platten 3 und 4 gehalten. In jede Gewindebohrung 9 bis 12 ist eine Gewindehülse 13 geschraubt, die die O-Ringe 8 an ringförmige, in die Bohrung ragende Flansche 14 der Platten 3 und presst.

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Die Elektroden 15 der Blitzlichtlampe 6 sind miTueis aurcri durch die Bohrungen 9 und 10 geführter Leitungen 16 an eine (nicht dargestellte) Stromimpulsquelle Angeschlossen.

O-Ringe 17 sitzen in Ringnuten an den Stirnseiten des Gehäuseteils 1 und dichten den Hohlraum 2 flüssigkeitsdicht ab. Der Hohlraum 2 ist mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt, die durch einen Schlauch 18 zugeführt wird und durch einen Schlauch 19 abfliesst. Die Kühlflüssigkeit ist eine selektiv lichtabsorbierende Flüssigkeit, die die Laserstrahlung absorbiert und für den kurzwelligeren Teil des Spektralbereichs der Blitzlichtlampe 6 lichtdurchlässig ist.

In einer illustrativen Demonstration wurde ein Nd-YAG-Laser aufgebaut. Dabei hat der Laserstab 7 eine Länge von 7,6 cm (3 Inch) und einen Durchmesser von 6 mm (1/4 Inch). Die Mantelfläche des Laserstabs 7 weist im Querschnitt keilförmige Rillen 20 auf, (insgesamt 280 Rillen) die senkrecht zur Zylinderachse des Laserstabes 7 verlaufen, im Querschnitt zickzackförmig aneinander anschliessen und deren Keilwinkel ein rechter Winkel ist. Die Rillentiefe beträgt l/lO mm. Zur besseren Darstellung sind die Rillen 20 in der Zeichnung vergrössert dargestellt. Die Enden des Laserstabs 7 sind auf einer Länge von je 3 mm glatt ausgeführt und die Stirnflächen 21, 22 sind optisch poliert und mit einem aufgedampften Antireflexbelag beschichtet. Die Rillen 20 können ebenfalls optisch poliert und zudem noch antireflexbeschichtet sein. Als absorbierende Kühlflüssigkeit dient destilliertes Wasser.

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Im B_etrieb des Laser-Verstärkers wird ein durch Zünden der Blitzlichtlampe 6 erzeugter Lichtimpuls an der W_and 5 reflektiert und vom Laserstab 7 absorbiert,wobei in diesem eine Besetzungsinversion entsteht. Ein z.B. von einem (nicht dargestellten) Laser-Oszillator erzeugter lichtimpuls 23 läuft durch die Bohrung 11, und darauf durch den Laserstab 7, wobei er infolge der Besetzungsinversion verstärkt wird. Der verstärkte Lichtimpuls 24 tritt durch die Bohrung 12 aus dem Verstärker aus.

Die gemessene Verstärkung G (Kleinsignal-Verstärker) des in Fig. 1 und 2 dargestellten Lichtverstärkers mit dem Stab 7 ist in Ab- ! hängigkeit von der Pumpenergie E (in Joule) in Fig. 3 durch die ausgezogene Kurve a dargestellt. Die gestrichelte und die strichpunktierte Kurve b und c zeigen den Verlauf der Verstärkung, wenn der Stab 7 durch einen üblichen glatten oder einen üblichen aufgerauhten j Stab (gleichen Durchmessers und gleicher Länge wie des Stabes 7) ersetzt ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich nimmt die Verstärkung G bei zunehmender Pumpenergie E nur bis zu einer bestimmten Sättigungsgrenze zu. Diese Sättigung ist die Folge, wenn das Kleinsignal und vor allem die Flüstermoden die Besetzungsinversion stark abbauen. Die maximale erreichbare Verstärkung beträgt 1,5 für den glatten Stab (Kurve b), 30 für den aufgerauhten Stab (Kurve c) und 72 für den Stab 7, der Vertiefungen mit glatten Flächen hat (Kurve a).

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Mit dem Stab 7 wird bei allen Pumpenergien eine höhere Verstärkung als mit den üblichen Stäben erzielt, und die maximale Verstärkung ist um einen Faktor 2,4 höher als die maximale Verstärkung mit dem aufgerauhten Stab.

Die Ursache der höheren Verstärkung mit dem Stab 7 wird nun anhand Fig. 4 und 5 im Vergleich zu einem glatten Stab 25 näher er-Läutert. Beim Pumpen des Laserstabes 7 bzw. 25 (durch das Blitzlicht der Lampe 6) tritt Eigenfluoreszenz auf, d.h. im Stab wird Licht spontan emittiert, das nach Erreichen einer Besetzungsinversion auf seinem Weg durch den Laserstab 7 bzw. 25 verstärkt wird und unter verschiedenen Einfallswinkeln auf die Staboberfläche auftritt. In Fig. 4 sind drei unter verschiedenen Winkeln auf die Mantä.fläche des glatten Stabes 25 auffallende Lichtstrahlen mit 26, 27 und 28 bezeichnet. Während der Strahl 26 aus dem Stab 25 austritt, werden die Strahlen 27 und 28, deren Einfallswinkel grosser als der Grenzwinkel der Totalreflexion (ca. 45° bei einem Uebergang Nd:YAG/H_?O) ist, totalreflektiert, laufen weiter durch den Stab 25 und werden erneut totalreflektiert usw. Auf ihrem Weg durch den Stab 25 werden diese Strahlen 27 und 28 verstärkt, d.h. sie bauen die Besetzungsinversion ab. Auch am Stabende werden diese Strahlen grösstenteils reflektiert. Diese hier anhand geometrischer Optik vereinfacht dargestellte, mehrfach totalreflektierte und verstärkte Fluoreszenzstrahlung nennt man Flüstermoden. Der Abbau der Besetzungsinversion durch die Flüstermoden führt zu einer Abnahme der Verstärkung G. Die mit zunehmender Pumpenergie E zunehmende Verstärkung der Flüstermoden führt schliesslich zu einer Begrenzung

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der maximal erreichbaren Verstärkung G durch die Flüstermoden. In Fig. 5 sind drei in der gleichen Richtung wie die Lichtstrahlen 26· 27' und 28 verlaufende Lichtstrahlen 26', 27' und 28' im Stab 7 dargestellt. Die Einfallswinkel der Lichtstrahlen 26', 27' und 28' auf die im Querschnitt zickzackförmige Mantelfläche sind für äLle drei Strahlen kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion, sodass die Strahlen 26*, 27' und 28' aus dem Stab 7 ausgekoppelt werden, keine Flüstermoden entstehen und damit kein Abbau der Besetzungsinversion erfolgt.

Daraus folgt die wesentliche höhere Verstärkung G im Stab 7 gegenüber der im Stab 25.

Die selektiv lichtabsorbierende Kühlflüssigkeit

absorbiert die aus dem Stab 7 ausgekoppelten Strahlen 26', 27' und 28', sodass eine mögliche Reflexion der Strahlen an der Wand 5 zurück in den Laserstab 7 verhindert wird.

Wird anstelle des glatten Stabs 25 ein üblicher aufgerauhter Stab verwendet, dessen Rauhigkeit im Bereich der Lichtwellenlänge liegt, kann zwar dieTotalreflexion vermieden werden, die auf die rauhe Oberfläche auftreffende Fluoreszenzstrahlung wird aber diffus reflektiert, wobei der grössere Anteil der Strahlung in den Stab zurückgestrahlt und darin,verstärkt wird, wodurch wieder die Besetzungsinversion abgebaut wird und die Verstärkung abnimmt. Für einen typischen Flüstermode, der zur Sättigung der Verstärkung ! beiträgt, haben sich Reflexionsgrade von 100# bei dem glatten Stab

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25, von grosser als 5O# bei einem aufgerauhten Stab, und von unter 10# bei dem Stab 7 ergeben. TJm einen noch tieferen Reflexionsgrad bei dem Stab 7 zu erreichen, kann ein Antireflexbelag auf die Mantelfläche des Stabs 7, d.h. auf die Rillen 20 aufgedampft werden. Bei den in Fig. 6 schematisch dargestellten Varianten 29 bis 31 des Laserstabes 7 weist der Mantel anstelle der keilförmigen Rillen 20 mit rechtwinkligen Keilwinkeln andere Vertiefungen auf. Diese Vertiefungen haben Abmessungen im Bereich von l/lO mm und sind zur besseren Darstellung vergrössert dargestellt. Die Laserstäbe 29 bis 31 sind wie der Stab 7 zylindrisch mit senkrechten Stirnflächen (nicht dargestellt ) ausgeführt. Der Laserstab 29 hat senkrecht zur Zylinderachse verlaufende aneinander anschliessende keilförmige Rillen 32, 33, 34. Die Keilwinkel aneinander anschliessender Rillen 32, 33, 34 sind je voneinander verschieden. Bei dem Laserstab 30 sind die Vertiefungen durch im Querschnitt wellenförmig aneinander anschliessende, senkrecht zur Zylinderachse verlaufende Furchen 35 gebildet, Der Querschnitt der Furchen 35 kann anstelle der runden, wellenartigen Form auch die Form eines Polygonzuges aufweisen. Der Laserstab 31 hat eine schraubenlinienförmige Nut 36 in der Art eines Gewindes.

Die Rillen 32, 33, 34, die Furchen 35 und die Nut 36 können sich über die ganze Mantelfläche des zylindrischen Stabes 29, 30, 31 erstrecken oder die Endbereiche der Stäbe 29, 30,31 können glatt ausgeführt sein.

Zur Vermeidung von Selbstoszillationen zwischen den Stirnflächen des Laserstabes bei sehr hohen Pumpenergien sind die Stirnflächen zweckmässig antireflexbeschichtet und 3-5° gegen die zur Zylinderachse senkrechte Ebene geneigt.

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Das Lasermedium muss nicht ein festkörper sein, sondern kann auch ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Anstelle des Laserstabs 7 bzw. 29 bis 31 wird dann z.B. ein mit einem fluiden Lasermedium gefülltes Quarz- oder Glasrohr verwendet. Die Innen- und Aussenwand des Rohres kann dann je mit' Vertiefungen analog den Rillen 20 bzw. 32, 33, 34, den Furchen 35 oder der Nut 36 versehen sein.

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Claims

-HT- ANSPRUECHE

1. Laser, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Mantelfläche der Begrenzung des Lasermediums im Vergleich zur Wellenlänge der Laserstrahlung grosse Vertiefungen mit glatten Flächen aufweist, die zur Vermeidung von Totalreflexionen der Eigenfluoreszenzstrahlung in einem wohldefinierten geometrischen Muster angeordnet sind.

2. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Mantelfläche des Liserstabs (7; 29; 30; 31) die Vertiefungen (20; 32 - 34; 35; 36) aufweist.

3. Flüssigkeit- oder Gis-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Aussenseite wenigstens eines Teiles des Mantels des die Flüssigkeit bzw. das Gas enthaltenden Gefässes die Vertiefungen aufweist.

4. Laser nach Anspruch 2 oder 3_f mit einem den Stab bzw. d-is '/'•nir:s und eine Blitzlichtlampe einschliessenden lichtroflekt ierenden Gehäuse, gekennzeichnet durch ein in das Gehäuse (1) gefülltes Fluidum, das die Laserstrahlung absorbiert und wenigstens für einen kurzwelligeren Spektralberöich des Blitzlichts lichtdurchlässig ist.

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5. Laser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Lasermedium zylinderförmig ist und die Laserstrahlung parallel zur Zylinderachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen keilförmige Rillen (20; 32; 33; 34) im Zylindermantel sind, die quer zu den Mantellinien des Zylinders (7; 29) verlaufen.

6. Laser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Lasermedium zylinderförmig ist und die Laserstrahlung parallel zur Zylinderachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen durch eine schraubenlinienförmige Nut (36) in der Art eines Gewindes gebildet sind.

7. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (20; 32, 33, 34) im Querschnitt zickzackförmig aneinander anschliessen.

8. Laser nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel der Rillen (20) wenigstens annähernd ein rechter Winkel ist.

9. Laser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Rillen (32, 33, 34) verschiedene Keilwinkel hat.

10. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen wellenartige quer zur Laserstrahlrichtung verlnnf^nie Furrhpn f35) 3ind.

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11. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Lasermedium begrenzende Fläche mit einem Antireflexbelag überzogen ist.

12. Laser nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen des Lasermediums gegen die zur Laserstrahlung senkrechten Ebenen geneigt sind.

13. Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel zwischen den Stirnflächen und den zur Laserstrahlung senkrechten Ebenen 3-5 beträgt.

RK/eb-5504
24.5.77

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