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Die
Erfindung betrifft einen Ringresonator, in dem ein Laserstrahl auf
einem geschlossenen Weg mehrfach umläuft. Insbesondere betrifft
die Erfindung einen Ringresonator, der eine Prismenkombination zur
Korrektur des Astigmatismus, den der Laserstrahl in einem Ringresonator
beim mehrfachen Durchlaufen einer thermischen Linse in einem Lasermedium erfährt, enthält.
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Hochleistungs-Lasermedien,
darunter Titan:Saphir und Nd:YAG, bilden allgemein eine thermische
Linse aus, die dadurch entsteht, dass die z. B. durch Licht aus
Blitzlampen in das Lasermedium eingebrachte Pumpenergie im gesamten
Volumen absorbiert wird, während
die entstehende Wärme
nur über
die Randflächen
der häufig
zylinderförmigen
Lasermedien an das umgebende Kühlmittel
(z. B. Wasser) abgegeben werden kann. Dadurch bildet sich im Lasermedium
ein zu den Randflächen
hin gerichteter negativer Temperaturgradient aus, wodurch mechanische
Spannungen, eine Deformation des Lasermediums und ein über das
Lasermedium räumlich
veränderlicher
Brechungsindex entstehen.
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Zylinderförmige Lasermedien
bilden dabei bzgl. eines durch die Stirnflächen geführten Laserstrahls eine thermische
Linse aus, die einer bikonvexen sphärischen Linse ähnelt. Jedoch
kann eine thermische Linse einen starken Astigmatismus aufweisen,
dessen Stärke
von der räumlichen
Verteilung der Pumplichteinstrahlung und der Kristallparameter des
Lasermediums abhängt. Übliche Fabry-Perot-Laserresonatoren
besitzen daher eine Korrekturoptik in Form von einzelnen Linsen,
von Linsenkombinationen oder von gekrümmten Spiegeln, die eine Kompensation
der von der thermischen Linse hervorgerufenen optischen Effekte
erlauben.
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In
einem Ringresonator, in dem ein Laserstrahl auf demselben optischen
Weg in derselben Richtung wiederholt das Lasersystem passiert, ist
die Kompensation der von der thermischen Linse hervorgerufenen optischen
Effekte, insbesondere des Astigmatismus, weitaus schwieriger, da
sich bereits geringe Abweichungen von der idealen Korrektur mit jedem
Umlauf des Laserstrahls weiter verstärken. Ziel einer Korrekturoptik
für eine
thermische Linse ist die gleichzeitige Aufrechterhaltung der Kollimierung und
des Durchmessers des Laserstrahls.
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Im
Falle einer nicht-astigmatischen thermischen Linse kann dazu eine
für die
betreffende thermische Linse geeignete Kombination aus einer sphärischen
Konvexlinse und einer sphärischen
Konkavlinse oder ein entsprechend gekrümmter Spiegel eingesetzt werden.
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Weist
die thermische Linse jedoch einen Astigmatismus auf, kann eine einfache
Linsenkombination aus sphärischen
Linsen allein den von der thermischen Linse hervorgerufenen Astigmatismus nicht
kompensieren. Bisher müssen
zum Ausgleich astigmatischer Laserresonatoren speziell für das jeweilige
Problem geformte Linsen oder Spiegel verwendet werden.
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Aus
H. Kogelnik, E. Ippen, A. Dienes und C. Shank, Astigmatically compensated
cavities for cw dye lasers, IEEE Journal of Quantum Electronics QE-8,
S. 373ff, 1972, ist der Einsatz eines Rhombus bekannt, der so im
Strahlengang orientiert wird, dass der Strahl die Ein- und Austrittsflächen nahe
am Brewster-Winkel passiert. Dieses Verfahren wurde gemäß T. F.
Johnston, R. H. Brady und W. Proffitt, Powerful single-frequency
ring dye laser spanning the visible spectrum, Applied Optics 21,
S. 2307–2316, 1982,
in einem kommerziell erhältlichen
Farbstofflaser mit Ringresonator zur Kompensation des Astigmatismus
eingesetzt.
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Für andere
Resonatortypen wurde dieses Verfahren von D. M. Kane in Astigmatism
compensation in off-axis laser resonators with two or more foci, Optics
Communications 71, S. 113–118,
1989, und Ti:sapphire laser cavity mode and pump-laser calculations,
Applied Optics 33, S. 3849–3856,
1994, erweitert. Gemäß H. J.
Onisto, R. L. Cavasso-Filho, A. Scalabrin und F. C. Cruz, Frequency
doubled and stabilized all-solid-state Ti:sapphire Lasers, Optical Engineering
41, S. 1122–1127,
2002, wird auch in aktuellen Titan:Saphir-Lasern eine Modifikation
dieses Verfahrens eingesetzt, wobei der Laserkristall selbst die
Funktion des Rhombus übernimmt.
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Sich
verändernde
Betriebsbedingungen wie Pumpleistung, Pumpgeometrie oder Wellenlänge ziehen
veränderliche
Verhältnisse
bei der thermischen Linse und dessen Astigmatismus nach sich. Speziell
zugeschnittene Korrekturoptiken weisen daher stets den Nachteil
auf, dass sie bei einer Änderung
der thermischen Linse oder der astigmatischen Verhältnisse
sich nicht einfach an die geänderte
Situation anpassen lassen, sondern jeweils neu dimensioniert werden
müssen.
Beispielsweise kann in einem handelsüblichen Nd:YAG-Laser nicht
ohne weiteres die Pumpleistung durch die Blitzlampen verändert werden,
da eine Anpassung an die dadurch veränderte eventuell astigmatische
thermische Linse nicht mit den vorhandenen Optiken möglich ist.
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Auch
der Einsatz eines Korrekturrhombus löst das Problem nicht zufriedenstellend,
da außer
einer Drehung des Rhombus keine weitere Möglichkeit der Anpassung an
eine geänderte
Situation gegeben ist. Insbesondere in leistungsstarken blitzlampengepumpten
Festkörperlasern
mit langen Laserstäben bietet
die Variante, den Laserstab selbst als Korrekturrhombus einzusetzen,
kaum Anpassungsmöglichkeiten.
Die gesamte Pumpkammer müsste
gegenüber
dem restlichen Laserresonator bewegt werden, was praktisch nur mit
sehr großem
Aufwand möglich ist.
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Aus
der
US 4,822,150 , der
US 5,751,482 und der
US 6,654,159 B2 sind
Prismenkombination bekannt, die mindestens vier Spiegelflächen aufweisen,
die so angeordnet sind, dass die jeweils durch den auf die betreffende
Spiegelfläche
einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebenen einheitlich
senkrecht oder parallel zum Vektor des elektrischen Feldes des einfallenden
linear polarisierten Laserstrahls stehen, wobei in der Reihenfolge
der Spiegelflächen
eine Spiegelfläche
bezüglich
der vorhergehenden Spiegelfläche
so angeordnet ist, dass sich die Polarisation bezüglich der
durch den auf diese Spiegelfläche
einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebene um
90° dreht,
wobei die Ein- und die Austrittsflächen der Prismenkombination
so gestaltet sind, dass ein Laserstrahl jeweils senkrecht eintreten
und senkrecht wieder austreten kann.
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Die
US 2005/0195474 A1 beschreibt
einen dreidimensionalen Multi-Pass-Verstärker, der verhindert, dass
ein Laserpuls immer wieder den gleichen Weg durch den Resonator
nimmt und bei jedem Umlauf nach Möglichkeit das gesamte Lasermedium ”beleuchtet”. Der Puls
läuft dort
möglichst
auf verschiedenen Wegen durch das Lasermedium.
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In
der
EP 0339 868 A1 wird
ein Ringresonator beschrieben, in dem zum Ausgleich der Doppelbrechung
im Lasermedium ein polarisationsdrehendes optisches Element eingebracht
wurde.
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Bei
dem in der
US 4,740,986 beschriebenen Resonator
handelt es sich um einen abgewandelten klassischen Fabry-Perot-Laserresonator,
der zu einem Rechteck zusammen gefaltet wurde, so dass sich beide
Endreflektoren im gleichen optischen Element (Prismenkombination,
Glasblock) befinden. Das Ziel hierbei ist eine Reduktion der optischen Komponenten
und eine vereinfachte Justage. Die verwendeten Prismen dienen nicht
der anitastigmatischen Korrektur und eignen sich grundsätzlich auch nicht
hierfür.
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In
der
FR 1 590 543 wird
ein Ringresonator beschrieben, der keine Maßnahmen zu antiastigmatischen
Korrektur aufweist. Das einzig vorhandene Prisma dient dort in Verbindung
mit einer Pockelszelle o. ä.
als optischer Schalter.
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Ausgehend
hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prismenkombination bereitzustellen,
die das Bild eines Laserstrahls um 90° dreht, ohne dass sich hierdurch
die Ebene des Laserstrahls ändert,
und die deshalb dazu verwendet wird, die astigmatischen Verhältnisse
in einem Ringresonator unabhängig
von der Stärke
des Astigmatismus und der Stärke
der thermischen Linse zu korrigieren, ohne dass weitere astigmatische
Korrekturoptiken im Ringresonator benötigt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche
beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Eine
erfindungsgemäß eingesetzte
Prismenkombination besitzt vier oder auch mehr Spiegelflächen, die
bezüglich
der Polarisation des linear polarisierten einfallenden Laserstrahls
so zueinander angeordnet sind, dass die jeweils durch den auf die
betreffende Spiegelfläche
einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebenen einheitlich senkrecht
oder parallel zum Vektor des elektrischen Feldes des einfallenden
linear polarisierten Laserstrahls stehen. Nur in dieser Anordnung
bleibt die lineare Polarisation des Lichtes erhalten, da nur senkrecht
und parallel polarisiertes Licht ihre Polarisationsrichtung bei
Reflektion beibehalten.
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Die
Polarisationsdrehung dieser Prismenkombination entsteht dadurch,
dass in der Reihenfolge der Spiegelflächen bezüglich der vorhergehenden Spiegelfläche plötzlich eine
Spiegelfläche
so gedreht ist, dass die Polarisation bezüglich der durch den auf diese
Spiegelfläche
einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebene um
90° gedreht wird.
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Um
dispersive Effekte zu vermeiden, sind die Ein- und die Austrittsflächen der
Prismenkombination so gestaltet, dass der Laserstrahl jeweils senkrecht
in das Prismenmedium eintreten und senkrecht wieder austreten kann.
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Trifft
ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, an geeigneter Stelle
auf diese Prismenkombination, so wird dessen Bild um 90° gedreht,
ohne dass sich hierdurch die Ebene des Laserstrahls ändert. Gleichzeitig
dreht sich die Polarisation des Lichtstrahls um 90°, und der
Lichtstrahl wird ebenfalls um 90° abgelenkt.
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In
einer besonderen Ausgestaltung weist die Prismenkombination drei
miteinander verbundenen 90°-Teilprismen
auf. Jeweils eine Kathetenfläche
des zweiten und des dritten Teilprismas sind an die Hypotenusenfläche des
ersten Teilprismas angebracht und die jeweils andere Kathetenfläche des
zweiten und dritten Teilprismas senkrecht zueinander angeordnet.
Die letzteren Kathetenflächen
sind zumindest teilweise entspiegelt, um eine bessere Ein- und Auskopplung
des Laserstrahls zu ermöglichen.
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In
dieser Ausgestaltung dienen die Hypotenusenfläche des zweiten Teilprismas
als erste Spiegelfläche,
die Kathetenflächen
des ersten Teilprismas als zweite und als dritte Spiegelfläche, und
die Hypotenusenfläche
des dritten Teilprismas als vierte Spiegelfläche.
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Mit
Hilfe dieser Prismenkombination, die beim Strahldurchgang gleichzeitig
Bild und Polarisation des Laserstrahls um 90° dreht und dabei den Laserstrahl
rechtwinklig ablenkt, kann der Astigmatismus eines Laserstrahls,
der das Prisma mehrfach durchläuft,
korrigiert werden. Hiermit lässt
sich ein Ringresonator mit einem astigmatischen Ausgleich für eine thermische
Linse aufbauen.
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Generell
korrigiert eine derartige bilddrehende Optik im Resonator astigmatische
thermische Linsen und lässt
sich somit für
alle Ringlasertypen, die sonst auf spezielle Ausgleichsoptiken zurückgreifen müssen, verwenden.
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Bei
jedem Durchgang dreht die Prismenkombination das Strahlbild um 90°, so dass
die beiden astigmatischen Brennweiten bei jedem Strahlumlauf vertauscht
werden und sich wie bei einem astigmatismusfreien Resonator eine
mittlere Brennweite einstellt, und zwar völlig unabhängig von der Stärke des Astigmatismus
der thermischen Linse. Die polarisationsdrehende Eigenschaft der
Prismenkombination kann darüber
hinaus in Verbindung mit einer Pockelszelle besonders vorteilhaft
zum Aufbau eines Polarisationsschalters genutzt werden, um mit Hilfe
eines doppelbrechenden Prismas (z. B. ein Glan-Prisma) Licht ein
oder aus zu koppeln.
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Dadurch
entfällt
ein sonst notwendiges polarisationsdrehendes verlustbringendes optisches
Element wie z. B. ein Fresnel-Rhombus. Mit seiner Eigenschaft, den
Strahl rechtwinklig abzulenken, ersetzt die Prismenkombination zugleich
eine Umlenkoptik in einer Ecke des Ringresonators.
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Durch
Einsatz dieses Prismas werden speziell angefertigte astigmatische
Korrekturoptiken überflüssig. Somit
kann auf Veränderungen
der astigmatischen thermischen Linse in einem Festkörperlaser mit
einfachen nicht-astigmatischen Korrekturoptiken reagiert werden.
Insbesondere kann auf eine spezielle Anpassung an einen eventuell
veränderlichen Astigmatismus
verzichtet werden. Darüber
hinaus vereinigt das Prisma (die Prismenkombination) die Funktionen
der Strahlumlenkung und der Polarisationsdrehung in sich, womit
bereits wesentliche Konstruktionselemente für den Aufbau eines Ringresonators
(Umlenkoptik) und eines Polarisationsschalters bereitgestellt werden.
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Da
der Ausgleich des Astigmatismus des Lasermediums so erfolgt, dass
auf eine speziell angepasste antiastigmatische Optik aus Linsen
oder Spiegeln verzichtet werden kann, wird lediglich eine einfache
Linsenkombination für
die Korrektur einer nicht-astigmatischen thermischen Linse für diejenige Brennweite
benötigt,
die dem Mittelwert aus den beiden astigmatischen Brennweiten entspricht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Eine
erfindungsgemäß eingesetzte Prismenkombination
dreht Strahlbild und Polarisation jeweils um 90°. Der Strahl wird zudem rechtwinklig abgelenkt.
Die Ebene des Laserstrahls ändert
sich nicht.
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2 Ringresonator
mit Prismenkombination und einem nicht-konfokalen, nicht-astigmatischen Korrekturteleskop.
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1 zeigt
eine Prismenkombination 310, die sich aus drei 90°-Teilprismen
zusammensetzt. Auf die Kathetenfläche 317 des zweiten
Teilprismas 312 senkrecht auftreffendes Laserlicht 2 wird
zunächst
an der Hypotenusenfläche
des zweiten Teilprismas 312, die als erste Spiegelfläche dient,
dann nacheinander an den beiden Kathetenflächen des ersten Teilprismas 311,
die als zweite und als dritte Spiegelfläche dienen, und an der Hypotenusenfläche des
dritten Teilprismas 313, die als vierte Spiegelfläche dient,
reflektiert und verlässt
schließlich
die Prismenkombination 310 senkrecht zur Kathetenfläche 318 des
dritten Teilprismas 313, die senkrecht zur Kathetenfläche 317 steht,
als Laserlicht 2',
dessen Strahlbild, Polarisation und Richtung in Bezug auf das auf
die Prismenkombination auftreffende Laserlicht 2 jeweils
um 90° gedreht
sind. Die Prismenkombination 310 besteht aus drei miteinander
verbundenen 90°-Teilprismen 311, 312, 313,
wobei jeweils eine Kathetenfläche
sowohl des zweiten Teilprismas 312 als auch des dritten
Teilprismas 313 an die Hypotenusenfläche des ersten Teilprismas 311 angebracht
sind.
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In 2 ist
ein Ringresonator 20 dargestellt, der eine Prismenkombination 31 umfasst.
Ein eingehender Laserpuls 1 durchläuft zunächst ein Teleskop 11 zur
Aufweitung des eingehenden Laserstrahls 1 und ein weiteres
Prisma 12 zur Umlenkung des eingehenden Laserstrahls 1,
bevor der mittels eines Strahlteiler-Prisma 32 (z. B. Glan-Prisma)
in den Ringresonator 20 eingekoppelt wird. Das Strahlteiler-Prisma 32 ist
gleichzeitig Teil des elektrooptischen Schalters 30, der
ferner die Prismenkombination 31 und eine Pockelszelle 33 umfasst,
und dient darüber
hinaus ebenfalls zur Auskoppelung eines Teils 3 des Laserstrahls.
Der rechteckige Ringresonator selbst wird durch die drei Umlenkoptiken
(Prismen) 21, 21', 21'' und der Prismenkombination 31 gebildet,
das hier als vierte Umlenkoptik dient, und enthält darüber hinaus Linsen 22, 22', ein konfokales Teleskop 23 mit
Raumfilter und ein Lasermedium 24, das eine thermischen
Linse aufweist, wobei das konfokale Teleskop 23 mit Raumfilter
und das Lasermedium 24 in den beiden Fokalpunkten angeordnet sind,
sowie eine Ausgleichsoptik 25 für die Korrektur des nicht-astigmatischen
Anteils der thermischen Linse.
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Der
mit der erfindungsgemäß eingesetzten Prismenkombination
astigmatisch korrigierte Ringresonator 20 wird in einem
Wasserdampf-LIDAR erfolgreich eingesetzt. Hierzu wird ein Hochleistungs-Titan:Saphir-Laser
mit variabler Pumpleistung mit einem Resonator 20 betrieben.
Erst der Einsatz der bilddrehenden Prismenkombination 31 ermöglicht den
astigmatismusfreien Betrieb mit hohen Pulsenergien bis derzeit 250
mJ. Die polarisationsdrehende Eigenschaft der Prismenkombination 31 wird darüber hinaus
in Kombination mit einer Pockelszelle 32 und einem Glan-Prisma 33 als
Polarisationsschalter zum Ein- und Auskoppeln der Laserpulse in
den Resonator 20 benutzt. Mit seiner weiteren Eigenschaft,
den Strahl rechtwinklig abzulenken, ersetzt die Prismenkombination 31 darüber hinaus
eine Umlenkoptik im rechteckigen Ringresonator 20.
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Für diese
Ausführung
wurden abstimmbare Einmoden-Pulslaser mit hoher Ausgangspulsenergie eingesetzt.
Die mittels optisch parametrischer Oszillatoren (OPO) erzeugten
Laserpulse mit einer Energie von ca. 0,5 mJ müssen auf eine Pulsenergie von etwa
500 mJ verstärkt
werden. Dazu wurde ein blitzlampengepumpter Titan:Saphir-Laser eingesetzt,
der in den rechteckigen Ringresonator 20 eingebaut wurde.
Die Laserpulse aus den OPOs wurden in den Ringresonator 20 eingekoppelt
und durchlaufen diesen mehrfach, in der Regel bis zu 20 Mal. Bei
jedem Passieren des Titan:Saphir-Stabes erfahren die Laserpulse
eine Verstärkung
durch die im Kristall gespeicherte Energie. Dieser Vorgang wird
solange wiederholt, bis die im Kristall gespeicherte Energie aufgebraucht
ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- in
den Ringresonator 20 eingehender Laserstrahl
- 2,
2'
- Laserstrahl
im Ringresonator 20
- 3
- aus
dem Ringresonator 20 ausgekoppelter Laserstrahl
- 11
- Teleskop
zur Aufweitung des eingehenden Laserstrahls 1
- 12
- Prisma
zur Umlenkung des eingehenden Laserstrahls 1
- 20
- Ringresonator
- 21,
21', 21''
- Umlenkoptiken
(Prismen) zur Bildung des Ringresonators 20
- 22,
22'
- Linsen
- 23
- konfokales
Teleskop mit Raumfilter
- 24
- Lasermedium
mit thermischer Linse
- 25
- Ausgleichsoptik
für nicht-astigmatische
thermische Linse
- 30
- elektrooptischer
Schalter
- 31,
310
- erfindungsgemäß eingesetzte
Prismenkombination
- 311,
312, 313
- 90°-Teilprismen
- 317
- Kathetenfläche des
Teilprismas 312
- 318
- Kathetenfläche des
Teilprismas 313
- 32
- Strahlteiler-Prisma
(z. B. Glan-Prisma)
- 33
- Pockelszelle
