DE69011928T2 - Ramankonverter und Ramanlasersysteme mit solchen Konvertern. - Google Patents

Description

• Ramanverschiebungseinrichtungen weisen ein Ramanstreumedium auf, gewöhnlich eine Hochdruckgaszelle. Das Streumedium wird für die Umwandlung der Laserstrahlung zu der gewünschten Wellenlänge ausgewählt. Durch Verwenden von Methan, welches eine Frequenzverschiebung von 2916 cm&supmin;¹ hat, ist es möglich, die 1,06 Mikron Strahlung des Neodym:YAG-Lasers in 1,54 Mikron umzuwandeln, welches eine "augensichere" Wellenlänge ist.
• In dem Stand der Technik sind mehrere Umwandlungssysteme bekannt. Zum Beispiel umfaßt der Ramankonverter in dem US-Patent Nr. 3 668 420, das 1972 an Vanderslice ausgegeben worden ist, zwei Spiegel, welche einen Resonator für die verschobene Wellenlänge bilden. Im europäischen Patent Nr. 63205, Bess und Ruger (1985), wird ein einziger Spiegel zur Bildung eines "Halbresonators" verwendet. Eine umfassendere Beschreibung wird von Parazzoli et al. in IEEE Journal of Quantum Electronics Bd. 24 (1988), Seite 872, gegeben. In diesen beiden Anordnungen müssen die Spiegel mit Bezug auf die Pumpquellenstrahlung zur Fluchtung gebracht werden, um die wellenlängenverschobene Strahlung zu dem Bereich zu reflektieren, in welchen die Pumpquellenstrahlung fokussiert ist. Diese Fluchtung ist für die Unterdrückung des konkurrierenden Prozesses von angeregter Brillouin-Streuung kritisch und muß präzise aufrechterhalten werden, so daß dadurch der mechanische Aufbau des Konverters kompliziert wird.
• In einem Versuch, diesen Nachteil zu überwinden, beschreiben Bruesselbach und Whirst in ihrer internationalen Patentanmeldung WO 86/02784 eine Anordnung, in welcher der Spiegel des Raman-Halbresonators auch der Ausgangsspiegel der Laserquelle ist. Diese Anordnung garantiert jedoch keine automatische Fluchtung des Ramankonverters, da das Laserbündel infolge thermischer Effekte in dem aktiven Medium oder in dem Q-Schaltmaterial oder aufgrund von Fehlfluchtung der Laserspiegel von der Normalen zu dem Ausgangsspiegel abweichen kann.
ABRISS DER ERFINDUNG
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die obenerwähnten Nachteile zu überwinden und einen einfachen Ramankonverter zur Verfügung zu stellen, welcher keine präzise Fluchtung von optischen Elementen benötigt.
• Ein Ramankonverter gemäß der Erfindung und ein Ramanlaser, der einen solchen Konverter umfaßt, sind im Anspruch 1 bzw. 9 definiert. Anspruch 10 bezieht sich auf ein Verfahren der Ramanumwandlung der Wellenlänge von Laserstrahlung.
• Die Vorteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert durch Verwendung eines Rückwärts-Ramankonverters für die Ramanverschiebung des Bündels eines Pumplasers. Dieser Rückwärts- Ramankonverter umfaßt ein Ramanmedium, in welchem das Pumplaserbündel mit einem Ramanmedium zum Erzeugen von ramanverschobener Strahlung wechselwirkt, einen dichroitischen Koppler, der zwischen dem Pumplaser und einer Seite des Ramanmediums zum Richten des Pumplaserbündels zu dem Ramanmedium positioniert ist, und ein auf der anderen Seite des Ramanmediums positioniertes Reflexionsmittel zum Reflektieren der ramanverschobenen Strahlung zurück in die Ramanzelle, wo sie durch Wechselwirkung mit dem Ramanmedium und dem ankommenden Pumplaserbündel verstärkt wird. Das verstärkte ramanverschobene Bündel wird durch den besagten dichroitischen Koppler aus dem System ausgekoppelt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Ramankonverters gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Ramankonverters gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Die folgende Beschreibung, welche sich auf gewisse Arten von Lasern, etc. bezieht, geschieht nur als Erläuterung und sollte in einer nichtbeschränkenden Art und Weise ausgelegt werden.
• Eine detailliertere Beschreibung der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Figur 1 gegeben. Ein Ramankonverter 11 der Erfindung ist im Betrieb mit einem Pumplaser 10 veranschaulicht, welcher ein Neodym:YAG-Laser ist, der ein Pumplaserbündel 12 mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron erzeugt. Der dichroitische Koppler 16 besteht aus einer Glasplatte mit einer dichroitischen dielektrischen Beschichtung, welche das Pumplaserbündel 12 durchläßt und das Bündel mit der ramanverschobenen Wellenlänge von 1,54 Mikron reflektiert.
• Die Ramanzelle 20 ist ein Behälter mit Fenstern 24 und 26, welcher Methangas 22 mit einem hohen Druck enthält. Innerhalb der Ramanzelle 20 tritt das Pumplaserbündel mit Molekülen des Methangases 22 in Wechselwirkung, um durch angeregte Ramanstreuung ramanverschobene Strahlung 30 mit einer Wellenlänge von 1,54 Mikron zu erzeugen, welche mittels des Reflektors 33 zurück zu der Ramanzelle 20 reflektiert wird, wo sie durch rückwärts angeregte Ramanstreuung des einfallenden Pumplaserbündels 12 verstärkt wird. Das verstärkte ramanverschobene Bündel 36 wird durch den dichroitischen Koppler 16 als ramanverschobenes Ausgangsbündel 38 reflektiert.
• In diesem Ramankonverter wird die Umwandlung im wesentlichen durch Rückwärtsramanstreuung innerhalb des Gases 22 bewerkstelligt, wobei diese Streuung durch eine Rückkopplung der vorwärtsgestreuten ramanverschobenen Strahlung 30 gesteigert wird. Dieser Konverter kann auch als eine Art von "Halbresonator"- Konverter interpretiert werden, da nur ein einziger Reflektor für die Rückkopplung der ramanverschobenen Strahlung verwendet wird. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen Retro-Reflektor als Reflexionsmittel, das den Konverter für ein mögliches Kippen des Reflexionsmittels oder für mögliche Wanderung des Pumpbündels unempfindlich macht. Auf diese Weise wird der mechanische Aufbau des Konverters vereinfacht.
• Figur 2 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Es ist bekannt, daß es für einen guten Umwandlungswirkungsgrad in einer kompakten Ramanverschiebungseinrichtung notwendig ist, das Pumplaserbündel innerhalb der Ramanzelle zu fokussieren, um dort eine hohe Leistungsdichte zu erzeugen, die für leistungsfähige Ramanwechselwirkungen benötigt wird. Dieses wird in dem Ramankonverter der vorliegenden Erfindung durch ein Fokussierungsmittel erreicht, das ein Paar Linsen 54 und 56 umfaßt, von denen eine auf jeder Seite der Ramanzelle 20 positioniert ist. Alternativ können die Linsen 54 und 56 jeweils die Fenster 24 und 26 der Ramanzelle 20 ersetzen. Das reflektierende Mittel ist ein Winkelreflektor 58, der aus einem Glasprisma mit drei gegenseitig senkrechten Flächen besteht. Es ergeben sich drei innere Totalreflexionen des einfallenden Bündels an diesen Flächen in der Retroreflexion jenes Bündels. Eine Alternative zu dieser Art von Retroreflektor ist der hohle Retroreflektor, der aus drei Spiegeln besteht, die senkrecht zueinander angebracht sind. Im Betrieb wird das Pumplaserbündel 12, das durch den dichroitischen Koppler 16 durchgelassen worden ist, mittels der Linse 54 auf einen Fokalbereich 60 innerhalb der Ramanzelle 20 fokussiert, um dort eine hohe Leistungsdichte in der Größenordnung von mehreren Gigawatt pro Quadratzentimeter zu erzeugen, damit eine leistungsfähige Ramanwechselwirkung stattfindet. In diesem Fokalbereich 60 wird die ramanverschobene Strahlung 62 erzeugt. Diese Strahlung divergiert und wird mittels der Linse 56 zu einem Parallelstrahlenbündel 64 parallelgerichtet, welches mittels des Winkelreflektors 58 rückwärtsreflektiert wird, und nach einer solchen Reflexion wird es durch die Linse 56 auf den Fokalbereich 60 fokussiert, wo es durch rückwärts angeregte Ramanstreuung des Pumplaserbündels 12 verstärkt wird. Das verstärkte ramanverschobene Bündel 66 divergiert und wird mittels der Linse 54 zu einem Parallelstrahlenbündel 68 parallelgerichtet, welches mittels des dichroitischen Kopplers 16 reflektiert wird, was zu dem ramanverschobenen Ausgangsbündel 69 führt.
• Im Betrieb ist selbst eine schwache reflektierte ramanverschobene Strahlung 62 ausreichend, Rückwärtsramanstreuung in dem Fokalbereich zu steigern. Infolgedessen ist der größte Teil der Ramanstreuung in der Rückwärtsrichtung. Auf diese Weise wird das Pumplaserbündel 12 gedämpft, bevor es den Brennpunkt erreicht, so daß dadurch ein Betrieb des Konverters bei höheren Energien vor dem Auftreten eines elektrischen Durchbruchs in dem Fokalbereich 60 ermöglicht wird. Für einige Anwendungen kann dieses ein signifikanter Vorteil sein, verglichen mit den Anordnungen nach dem Stande der Technik.
• Der Vorteil der Verwendung eines Winkelreflektors als reflektierendes Mittel besteht darin, daß er keine exakte Fluchtung benötigt und er unabhängig von seiner Ausrichtung das Parallelstrahlenbündel 64 auf sich selbst reflektiert, so daß es exakt zu dem Fokalbereich 60 zu einer zusätzlichen Wechselwirkung fokussiert wird. Wie experimentell verifiziert wurde, führt diese Unempfindlichkeit gegen Fehlfluchtung zu einer signifikanten Verbesserung in der Energiestabilität des ramanverschobenen Ausgangsbündels. Gemäß der Erfindung können reflektierende Mittel wie ein Spiegel, ein Porrosches Prisma oder andere Arten von Dachreflektoren, die in der Technik bekannt sind, verwendet werden.
• Zusätzliche Verbesserungen können bei dem Ramankonverter angewandt werden:
• Wie es gut bekannt ist, hängt der Wirkungsgrad von Ramanverschiebungseinrichtungen stark von der Konkurrenz zwischen dem Ramanstreuungs- und dem Brillouinstreuungsprozeß ab. In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Ramanmediums und von der Wellenlänge des Pumplasers kann es manchmal vorteilhaft sein, zwischen die Ramanzelle 20 und das reflektierende Mittel 33 in Figur 1 ein Filter hinzuzufügen, das die übrige Strahlung mit der pumpwellenlänge entfernt, so daß dadurch deren Rückreflexion zu dem Fokalbereich 60 verhindert wird. Eine solche Rückkopplung bei der Pumpwellenlänge ist unerwünscht, da sie die angeregte Brillouinstreuung erhöhen kann, so daß dadurch der Ramanumwandlungswirkungsgrad vermindert wird. Eine solche unerwünschte Rückkopplung bei der Pumpwellenlänge kann durch Verwendung eines geeigneten Absorbers verhindert werden, oder durch ein reflektierendes Filter oder durch die Verwendung von Dispersionselementen, wie eines Gitters oder Prismas. Wenn ein reflektierendes Filter zwischen der Ramanzelle 20 und dem reflektierenden Mittel 33 in Figur 1 positioniert wird, kann die Reflexion bei der Pumpwellenlänge als ein sekundäres Ausgangsbündel ausgenutzt werden, so daß dadurch ein Dualwellenlängen- Lasersystem vorgesehen wird. Eine andere Lösung kann vorgesehen sein, indem als reflektierendes Mittel 33 ein Reflektor verwendet wird, welcher die stokesverschobene Strahlung mit 1,54 Mikron selektiv reflektiert, aber nicht die Strahlung mit 1.06 Mikron.
• In einer anderen Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform wird ein phasenkonjugierender Reflektor als das reflektierende Mittel 58 in Figur 2 verwendet. Wie der Winkelreflektor liefert der phasenkonjugierende Reflektor eine Retro-Reflexion der ramanverschobenen Strahlung 62. Sein Vorteil besteht darin, daß aufgrund einer Umkehrung der Strahlungswellenfront jede Wellenfrontdeformation, die durch den ersten Durchgang der ramanverschobenen Strahlung durch den Fokalbereich 60 innerhalb des Ramanmediums induziert wird, nach einem zweiten Durchgang längs desselben Wegs aufgehoben wird. Auf diese Weise wird ein unverzerrtes Ausgangsbündel selbst in Fällen erhalten, in denen das Ramanmedium optische Verzerrungen, z.B. aufgrund von dessen Erhitzung, induziert. Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von phasenkonjugierenden Reflektoren bekannt. In solchen Einrichtungen wird ein phasenkonjugiertes Bündel durch eine nichtlineare optische Wechselwirkung des einfallenden Bündels mit dem phasenkonjugierenden Material erzeugt. Stimulierte Brillouinstreuung (SBS) ist eine der im Stande der Technik bekannten nichtlinearen Wechselwirkungen zum Erzeugen einer Phasenkonjugation von Laserbündeln. Diese Art von Phasenkonjugation kann leicht mit dem in Figur 2 beschriebenen Konverter kombiniert werden. Dieses kann z.B. getan werden, indem das Fenster 26 durch einen konkaven Spiegel kurzer Brennweite ersetzt wird, welcher die ramanverschobene Strahlung 62 in einen kleinen Brennpunkt innerhalb des Gases fokussiert, von welchem stimulierte Brillouinrückstreuung die phasenkonjugierte Reflexion liefert.
• Es wurde ein Ramankonverter gemäß Figur 2 gebaut. Der verwendete Pumplaser war ein Q-geschalteter Nd:YAG-Laser, der 120 milliJoules pro Impuls von 16 nsec von 1,06 Mikron-Strahlung erzeugt. Indem Hochdruckmethan als das Ramanmedium, ein Winkelreflektor als das reflektierende Mittel und ein dichroitischer Spiegel als der dichroitische Koppler verwendet wurden, wurde ein ramanverschobenes Ausgangsbündel mit 40 milliJoules pro Impuls erzeugt.
• Die Erfindung stellt einen Ramankonverter zur Verfügung, der für optische Fehlfluchtung oder Wandern des Pumplaserbündels unempfindlich ist.

Claims (14)

1. Ramankonverter zum Umwandeln eines Laserbündels (12) mit einer ersten Wellenlänge, das in einem separaten Lasermodul (10) erzeugt wird, in ein ramanverschobenes Bündel (38) mit einer zweiten Wellenlänger, wobei der Ramankonverter (11) außerhalb des Lasermoduls ist und eine Aufeinanderfolge von einem dichroltischen Koppler (16), einem Ramanmedium (22) und reflektierenden Mitteln (33) umfaßt, die optisch fluchtend nach dem Lasermodul positioniert sind, so daß das Laserbündel zunächst durch den dichroitischen Koppler hindurchgeht, welcher das Laserbündel in das Ramanmedium richtet, so daß demgemäß ramanverschobene Strahlung in einer Vorwärts- und einer Rückwärtsrichtung gestreut wird, wobei das reflektierende Mittel die vorwärtsgestreute Strahlung (30) zu dem Ramanmedium zurückschickt, so daß demgemäß die Intensität der rückwärtsgestreuten ramanverschobenen Strahlung (36), welche durch den dichroitischen Koppler ausgekoppelt wird, erhöht wird.

2. Ramankonverter gemäß Anspruch 1, worin die reflektierenden Mittel retroreflektierende Mittel oder phasenkonjugierende Mittel sind.

3. Ramankonverter gemäß Anspruch 1, worin fokussierende Mittel zum Fokussieren der Laserstrahlung zu einem Fokalbereich innerhalb des Ramanmediums vorgesehen sind, wobei optische Mittel zwischen dem Ramanmedium und den Reflexionsmitteln zum Kollimieren der von dem Fokalbereich nach vorwärts gestreuten ramanverschobenen Strahlung zu einem Parallelstrahlenbündel und zum Fokussieren des Parallelstrahlenbündels nach seiner Reflexion durch die Reflexionsmittel zu dem Fokalbereich angeordnet sind.

4. Ramankonverter gemäß Anspruch 1, worin die erste Wellenlänge etwa 1,06 Mikron ist und die zweite Wellenlänge etwa 1,54 Mikron ist, und das Gas Methan ist.

5. Ramankonverter gemäß Anspruch 1, worin ein Filter zwischen dem Ramanmedium und dem Reflexionsmittel zum Vermeiden eines Zurückschickens der Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge zu dem Ramanmedium vorgesehen ist.

6. Ramankonverter gemäß Anspruch 1, worin die Reflexionsmittel selektiv Laserstrahlung mit der zweiten Wellenlänge und nicht mit der ersten Wellenlänge reflektieren.

7. Ramankonverter gemäß Anspruch 1, worin das Reflexionsmittel das einzige verwendete Rückkopplungselement ist.

8. Ramankonverter gemäß Anspruch 1, worin der dichroitische Koppler ein Spiegel ist, der im wesentlichen bei einer von der ersten und zweiten Wellenlänge reflektiert und die andere Wellenlänge im wesentlichen durchläßt.

9. Ramanlasersystem, umfassend einen Ramankonverter gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche und einen Pumplaser zum Erzeugen der Laserstrahlung.

10. Verfahren des Ramankonvertierens der Wellenlänge von Laserstrahlung, welches umfaßt:

a. Erzeugen von Laserstrahlung mit einer ersten Wellenlänge,

b. Richten der Laserstrahlung über einen dichroitischen Koppler in ein Ramanmedium, wobei beide außerhalb der Laserstrahlungsquellen sind,

c. Umwandeln der Energie der Laserstrahlung in dem Ramanmedium durch stimulierte Ramanstreuung in ramanverschobene Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die im wesentlichen in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung relativ zu dem Laserbündel gestreut ist,

d. Reflektieren der vorwärtsgestreuten ramanverschobenen Strahlung zurück in das Ramanmedium, so daß dadurch die Rückwärtsstreuung der ramanverschobenen Strahlung erhöht wird,

e. Auskoppeln der rückwärtsgestreuten ramanverschobenen Strahlung durch den dichroitischen Koppler.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, worin die zu dem Ramanmedium gerichtete Laserstrahlung auf einen Fokalbereich darin fokussiert wird, und worin die reflektierte vorwärtsgestreute ramanverschobene Strahlung wieder auf den Fokalbereich fokussiert wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, worin das Fokussieren durch zwei Linsen oder Linsensystem, eine bzw. eines auf jeder Seite des Ramanmediums, ausgeführt wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11, worin die ramanverschobene Strahlung mittels eines Retro-Reflektors, mittels eines phasenkonjugierenden Reflektors oder mittels eines Dachreflektors reflektiert wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 11, worin das Ramanmedium ein für Ramanstreuung geeignetes Gas ist.