DE19855801A1 - Wide beam oscillator-amplifier device for industrial or medical laser has concave mirror, planoconvex lens, polarization-dependent beam splitter and polarization plane rotation device - Google Patents
Wide beam oscillator-amplifier device for industrial or medical laser has concave mirror, planoconvex lens, polarization-dependent beam splitter and polarization plane rotation deviceInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Oszillator-Verstärker-Anordnung, in der das gleiche aktive Medium vom Oszillator und dem Verstärker benutzt wird. Die Erfindung kann demgemäß in der Laserindustrie sowie in der Lasermedizin bei der Entwicklung und der Produktion von hochrepetierenden, gütegeschalteten Hochleistungslasern mit kleiner Strahldivergenz, homogener Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt und einem rechteckähnlichen räumlichen Intensitätsprofil angewendet werden.The present invention relates to a new oscillator amplifier arrangement in which the same active Medium is used by the oscillator and the amplifier. The invention can accordingly in Laser industry as well as in laser medicine in the development and production of highly repetitive, Q-switched high-power lasers with small beam divergence, more homogeneous Intensity distribution over the beam cross-section and a rectangular-like spatial Intensity profile can be applied.
Bekannt sind gütegeschaltete Festkörper-Laseranordnungen zur Erzeugung von leistungsstarken ns-
Impulsen (Solid State Laser Engineering by W. Koechner, 4th edition), die einen stabilen Resonator
enthalten, der von zwei Spiegeln gebildet wird, wobei einer der Spiegel ein "hohler Spiegel" mit einem
hohen Reflexionskoeffizienten und der andere Spiegel ein Ausgangsspiegel mit einem niedrigen
Reflexionskoeffizienten ist. Innerhalb des Resonators befinden sich folgende Elemente:
Are known Q-switched solid-state laser arrays for the generation of powerful ns pulses (Solid State Laser Engineering by W. Koechner, 4 th edition), which contain a stable resonator formed by two mirrors, one of the mirror is a "hollow mirror" with a high reflection coefficient and the other mirror is an output mirror with a low reflection coefficient. The following elements are located within the resonator:
- - aktives Medium in der Form eines zylindrischen Stabes und das optische Pumpsystem,- active medium in the form of a cylindrical rod and the optical pump system,
- - ein Polarisator mit mehrfacher dielektrischer Beschichtung, der einen sehr hohen Trans missionskoeffizienten für die Strahlung mit der p-Polarisation und einen sehr hohen Refle xionskoefflzienten für die s-polarisierte Strahlung besitzt und unter dem Brewster-Winkel zwischen dem 100%-Spiegel und dem Laserstab plaziert ist,- A polarizer with multiple dielectric coating, which has a very high trans Mission coefficients for radiation with p-polarization and a very high reflect xionskoefflzenten for the s-polarized radiation and under the Brewster angle between the 100% mirror and the laser rod is placed,
- - ein elektrooptischer Kristall, der zwischen dem 100%-Spiegel und dem Polarisator plaziert ist.- An electro-optic crystal placed between the 100% mirror and the polarizer.
Es ist bekannt, daß die Modenstruktur bei solchen Lasern sowohl von der Resonatorgeometrie als auch
von der Aperturparameter des Resonators abhängen und durch folgende Formel beschrieben werden:
N = ∅2/4λL, wobei
∅ - den Durchmesser der kleinsten im Resonator wirkenden Blende,
λ -die Laserwellenlänge,
L - die Resonatorlänge bedeuten.It is known that the mode structure in such lasers depends both on the resonator geometry and on the aperture parameter of the resonator and is described by the following formula:
N = ∅ 2 / 4λL, where
∅ - the diameter of the smallest aperture acting in the resonator,
λ - the laser wavelength,
L - mean the resonator length.
Es ist bekannt, daß Festkörperlaser (z. B. Nd : YAG) mit den stabilen Resonatoren (N = 20) im
gütegeschalteten Betrieb die Impulse mit folgenden Parametern:
It is known that solid-state lasers (e.g. Nd: YAG) with stable resonators (N = 20) in Q-switched operation generate the pulses with the following parameters:
- - Impulsbreite ca. 8-15 ns,- pulse width approx. 8-15 ns,
- - Inhomogene Intensitätsverteilung über dem Querschnitt,- Inhomogeneous intensity distribution over the cross section,
- - Starke Divergenz,- strong divergence,
- - Hoher Gesamtwirkungsgrad bezüglich der Speiseleistung- High overall efficiency in terms of feed performance
generieren.to generate.
Es ist bekannt, daß bei einer starken Diafragmierung des Laserstrahls (N ≦ 1) nur das TEM00 mit
folgenden Parametern:
It is known that when the laser beam is strongly fragmented (N ≦ 1) only the TEM 00 with the following parameters:
- - kleines Modenvolumen im aktiven Medium,- small mode volume in the active medium,
- - kleine Divergenz,- small divergence,
- - niedriger Gesamtwirkungsgrad- low overall efficiency
generiert wird.is generated.
Es ist bekannt, daß die Effektivität des TEM00-Betriebes durch den Einsatz von stabilen konkav-
konvexen Resonatoren (Chesler and Maydan J. Appl. Phys., v. 43, p. 2254, 1972) erhöht werden kann.
Diese werden von zwei sphärischen Spiegeln gebildet, wobei der 100%-Spiegel den Krümmungsradius
r1 < 0 und der Auskoppelspiegel den Krümmungsradius r2 < 0 hat. Solche Resonatoren genügen
folgenden Bedingungen:
It is known that the effectiveness of TEM 00 operation can be increased by using stable concave-convex resonators (Chesler and Maydan J. Appl. Phys., V. 43, p. 2254, 1972). These are formed by two spherical mirrors, the 100% mirror having the radius of curvature r 1 <0 and the decoupling mirror having the radius of curvature r 2 <0. Such resonators meet the following conditions:
(ω2/ω1)2 = g1/g2 < 1, g1g2 ≈ 0,5,
(ω 2 / ω 1 ) 2 = g 1 / g 2 <1, g 1 g 2 ≈ 0.5,
wobei
in which
ω2 - den Durchmesser der TEM00-Mode auf dem Auskoppelspiegel,
ω1 - den Durchmesser der TEM00-Mode auf dem Hohlspiegel bedeuten,
ω 2 - the diameter of the TEM 00 mode on the coupling mirror,
ω 1 - mean the diameter of the TEM 00 mode on the concave mirror,
und die Gleichungen
and the equations
g1 = 1-L2/fa-L0/r1
g2 = 1-L1/fa-L0/r2
L0 = L1 + L2-L1L2/fa
g 1 = 1-L 2 / f a -L 0 / r 1
g 2 = 1-L 1 / f a -L 0 / r 2
L 0 = L 1 + L 2 -L 1 L 2 / f a
erfüllt sind.are fulfilled.
Dabei bedeuten:
Here mean:
fa - die Brennweite der thermischen Linse im aktiven Element,
L1 - die Entfernung vom 100%-Spiegel bis zur thermischen Linse,
L2 - die Entfernung vom Auskoppelspiegel bis zur thermischen Linse.f a - the focal length of the thermal lens in the active element,
L 1 - the distance from the 100% level to the thermal lens,
L 2 - the distance from the coupling mirror to the thermal lens.
Es ist bekannt, daß bei einem idealen Laser der Gaussbündel-Anfang mit den Parametern:
It is known that in an ideal laser the Gaussian bundle start with the parameters:
- - der Bündelradius ω = ω2,- the bundle radius ω = ω 2 ,
- - der Krümmungsradius der Phasenfront R = r2 und- The radius of curvature of the phase front R = r 2 and
- - die Divergenz θ = 2√(θd 2 + θg 2)- the divergence θ = 2√ (θ d 2 + θ g 2 )
an der sphärischen Fläche des Auskoppelspiegels liegt, wobei
lies on the spherical surface of the coupling mirror,
θd = λ/ω√π - die Beugungskomponente der Divergenz und
θg = ω√π/|R| - die geometrische Komponente der Divergenz bedeuten.θ d = λ / ω√π - the diffraction component of the divergence and
θ g = ω√π / | R | - mean the geometric component of the divergence.
Es ist bekannt, daß die geometrische Komponente gleich Null gemacht werden kamt indem man hinter dem Auskoppelspiegel eine dünne Linse mit der Brennweite f = R plaziert. Diese so genannten quadratischen Phasenkorrektoren wandeln eine sphärische Phasenfront (Wellenfront) in eine ebene Wellenfront.It is known that the geometric component could be made zero by placing behind placed a thin lens with the focal length f = R on the coupling mirror. These so called quadratic phase correctors convert a spherical phase front (wave front) into a plane Wavefront.
Es sind auch Festkörper-Laseranordnungen mit den phasenkonjugierenden Spiegeln bekannt, die einen Oszillator und mehrere Verstärkerstufen enthalten. Im Oszillator werden leistungsschwache Impulse der Signalstrahlung mit geforderten räumlichen Parametern erzeugt, deren Leistung dann in der Verstärkerkette bis zum notwendigen Niveau erhöht wird (S.I. Schastak: "Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte zur Verbesserung der Homogenität der räumlichen Intensitätsverteilung von Hochleistungslaserimpulsen und deren Anwendung bei der Laserausheilung", Dissertation zur Promotion A, FSU-Jena, 1985; Prospekt INFINITY-Laser der Firma COHERENT).Solid-state laser arrangements with the phase-conjugating mirrors are also known Oscillator and several amplifier stages included. In the oscillator weak pulses of the Signal radiation generated with the required spatial parameters, the power of which is then in the Amplifier chain is increased to the necessary level (S.I. Schastak: "Utilization of nonlinear optical effects to improve the homogeneity of the spatial intensity distribution of High power laser pulses and their application in laser healing ", dissertation on Doctorate A, FSU-Jena, 1985; Brochure INFINITY laser from COHERENT).
Die Effektivität des Abbaus der im Verstärker gespeicherten Energie hängt dabei von der Lei
stungsdichte der einfallenden Strahlung ab und ist mittels folgender Formel:
The effectiveness of the reduction of the energy stored in the amplifier depends on the power density of the incident radiation and is based on the following formula:
Faus = Fs 1n{1+[exp (Fein/Fs)-1]G0}
F out = F s 1n {1+ [exp (F a / F s) -1] G 0}
zu beschreiben, wobei
to describe where
Fein - die Energiedichte am Verstärkereingang
Faus - die Energiedichte am Verstärkerausgang
Fs - die Sättigungsenergiedichte des Verstärkers,
G0 = exp (g01a) - die Kleinsignalverstärkung und
1a -die Länge des aktiven Mediums
F a - the energy density at the amplifier input
F off - the energy density at the amplifier output
F s - the saturation energy density of the amplifier,
G 0 = exp (g 0 1 a ) - the small signal amplification and
1 a - the length of the active medium
bedeuten.mean.
Wie aus der Literatur (J. Miller at al. EP 0247823A2, 02.12.1987) und (P. Nicholson US5230004, 07.20.1993) folgt, sind die Festkörper-Laser am effektivsten und am kompaktesten, die ein und denselben isotropen Kristall als aktives Medium für die Erzeugung der Signalstrahlung und auch für ihre Verstärkung in einem Durchgang benutzen.As from the literature (J. Miller at al. EP 0247823A2, 02.12.1987) and (P. Nicholson US5230004, 07.20.1993) follows, the solid-state lasers are the most effective and compact, the one and the same isotropic crystal as an active medium for the generation of signal radiation and also for use their reinforcement in one pass.
Zum größten Nachteil der o. g. Anordnungen gehört die niedrige Effektivität des Abbaus der im aktiven Oszillator/Verstärker-Medium gespeicherten Energie durch leistungsschwache Impulse der Signalstrahlung, die im Kleinapertur-Oszillator erzeugt werden.To the greatest disadvantage of the above. Orders include the low effectiveness of the dismantling of the active Oscillator / amplifier medium stored energy due to underpowered pulses of Signal radiation generated in the small aperture oscillator.
Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren:
The goals of the present work were:
- - eine Erhöhung der Effektivität des Abbaus der im aktiven Medium gespeicherten Energie und somit auch die Erhöhung des Wirkungsgrades einer Oszillator-Verstärker-Anordnung,- An increase in the effectiveness of the degradation of the energy stored in the active medium and thus also increasing the efficiency of an oscillator amplifier arrangement,
- - eine zusätzliche Verkürzung der Impulsbreite und dadurch eine Erhöhung seiner Intensität,- an additional shortening of the pulse width and thereby an increase in its intensity,
- - Erzeugung von Laserimpulsen mit kleiner Divergenz und homogener Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt,- Generation of laser pulses with small divergence and homogeneous intensity distribution over the Beam cross section,
- - Erzeugung von leistungsstarken Laserimpulsen mit einem rechteckähnlichen räumlichen Intensitätsprofil.- Generation of powerful laser pulses with a rectangular-like spatial Intensity profile.
Die Lösung der oben gestellten Aufgaben geschieht dadurch, daß in der erfindungsgemäßen
Laseranordnung in der der Oszillator und der Verstärker ein dasselbe aktives Medium nutzen, ein
stabiler Konkav-Konvex-Resonator mit einem quadratischen Phasenkorrektor eingesetzt wird. Der
Resonator wird durch hohlen 100%-Spiegel mit einem Krümmungsradius r1 < 0 und eine plan-konvexe
Linse mit der Brennweite f gebildet. Die sphärische Fläche der Linse ist entspiegelt, die Planfläche aber
eine schwachreflektierende dielektrische Beschichtung aufweist, so daß die Linse einem konkaven
Spiegel mit dem Krümmungsradius r2 = f < 0 äquivalent ist und folgenden Beziehungen erfüllt sind:
The above objects are achieved in that a stable concave-convex resonator with a quadratic phase corrector is used in the laser arrangement according to the invention in which the oscillator and the amplifier use the same active medium. The resonator is formed by hollow 100% mirrors with a radius of curvature r 1 <0 and a plane-convex lens with the focal length f. The spherical surface of the lens is anti-reflective, but the flat surface has a weakly reflective dielectric coating, so that the lens is equivalent to a concave mirror with the radius of curvature r 2 = f <0 and the following relationships are fulfilled:
g1/g2 ≧ 2,5; 0,9 < g1g2 < 1; L2/L1 ≧ 2;
g1 = 1-(L2 + 1a/2na)/fa-L0/r1; g2 = 1-(L1 + 1a/2na)/fa-L0/r2
L0 = L1 + L2 + 1a/na-(L1 + 1a/2na)(L2 + 1a/2na/fa.g 1 / g 2 ≧ 2.5; 0.9 <g 1 g 2 <1; L 2 / L 1 ≧ 2;
g 1 = 1- (L 2 + 1 a / 2n a ) / f a -L 0 / r 1 ; g 2 = 1- (L 1 + 1 a / 2n a ) / f a -L 0 / r 2
L 0 = L 1 + L 2 + 1 a / n a - (L 1 + 1 a / 2n a ) (L 2 + 1 a / 2n a / f a .
Dabei bedeuten:
Here mean:
L1 - der Abstand zwischen dem "hohlen" Spiegel und dem aktiven Element,
L2 - der Abstand zwischen dem Auskoppelspiegel und dem aktiven Element,
1a - die Länge des aktiven Elementes,
fa - die Brennweite der im aktiven Element induzierten thermischen Linse,
na - der Brechungsindex des aktiven Mediums.L 1 - the distance between the "hollow" mirror and the active element,
L 2 - the distance between the output mirror and the active element,
1 a - the length of the active element,
f a - the focal length of the thermal lens induced in the active element,
n a - the refractive index of the active medium.
Innerhalb des Resonators zwischen dem Laserstab und dem Güteschalter ist ein polarisationsabhängiger Strahlteiler plaziert, so daß das Licht mit der p-Polarisation eine sehr hohe Transmission und das Licht mit der s-Polarisation eine sehr hohe Reflexion bei jedem Durchgang des Resonators erfahren.Inside the resonator between the laser rod and the Q-switch is a polarization dependent one Placed beam splitter so that the light with the p-polarization has a very high transmission and the light experience a very high reflection with the s-polarization with each passage of the resonator.
Hinter dem Ausgangsspiegel befindet sich eine optische Anordnung zur Rotation der Polarisationsebene um 90°, die aus einer λ/4-Platte, einer Sammellinse, einer Phasenplatte und einem phasenkonjugierenden Spiegel besteht, so daß der ausgekoppelte Laserstrahl nach dem passieren dieser Elemente in Vor- und Rückwärtsrichtung wieder in das aktive Element gelangt und dort verstärkt wird. Da die verstärkte Strahlung in der s-Ebene polarisiert ist, wird sie an dem polarisationsabhängigem Strahlteiler ausgekoppelt.An optical arrangement for rotating the plane of polarization is located behind the output mirror by 90 °, which consists of a λ / 4 plate, a converging lens, a phase plate and a phase conjugate There is a mirror so that the decoupled laser beam after passing these elements in front and Backward direction comes back into the active element and is amplified there. Because the reinforced Radiation is polarized in the s-plane, it is at the polarization-dependent beam splitter uncoupled.
Andere Elemente, Besonderheiten bzw. Vorteile der vorliegenden Erfindung, die Konstruktion und der Wirkungsprinzip sind der Zeichnung zu entnehmen (Abb. 1).Other elements, peculiarities and advantages of the present invention, the construction and the principle of action can be found in the drawing ( Fig. 1).
Der kombinierte Laser-Verstärker (Abb. 1) besteht aus einem Resonator, der durch hohlen Spiegel 2 mit einem Krümmungsradius r1 < 0 und eine plan-konvexe Linse 3 mit der Brennweite f gebildet wird, in dem ein isotropes aktives Element 1 (Laserstab) in der Form eines Zylinders mit entspiegelten Endflächen sich befindet. Der konvexe Spiegel 2 weist eine hochreflektierende (100%) dielektrische Beschichtung auf. Der Auskoppelspiegel 3 stellt eine plan-konvexe dünne Linse dar, deren konvexe Fläche entspiegelt ist und die plane Fläche eine dielektrische Schicht aufweist, die einen niedrigen (10 bis 15%) Reflexionskoeffizienten hat. Am anderen Ende des Laserstabes 1 ist ein polarisationsabhängiger Strahlteiler 5 plaziert, der einen hohen Transmissionskoeffizienten für die p-Komponente und einen hohen Reflexionskoeffizienten für die s-Komponente des linearpolarisierten aufweist. Zwischen dem Spiegel 2 und dem Strahlteiler 4 ist ein elektrooptischer Güteschalter 7 plaziert. Hinter dem Auskoppelspiegel 3 befinden sich eine λ/4-Platte 6 mit entspiegelten Oberflächen und eine Phasenplatte 7, die eine in der Flußsäure geätzte Quarzplatte darstellt. Mit Hilfe der Sammellinse 8 wird der Laserstrahl in den phasenkonjugierenden Spiegel 9 (eine Küvette mit dem SBS-aktiven Medium) fokussiert.The combined laser amplifier ( Fig. 1) consists of a resonator, which is formed by hollow mirrors 2 with a radius of curvature r 1 <0 and a plane-convex lens 3 with the focal length f, in which an isotropic active element 1 (laser rod ) is in the form of a cylinder with anti-reflective end faces. The convex mirror 2 has a highly reflective (100%) dielectric coating. The coupling-out mirror 3 represents a plane-convex thin lens, the convex surface of which is anti-reflective and the plane surface has a dielectric layer which has a low (10 to 15%) reflection coefficient. At the other end of the laser rod 1 , a polarization-dependent beam splitter 5 is placed, which has a high transmission coefficient for the p component and a high reflection coefficient for the s component of the linearly polarized one. An electro-optical Q-switch 7 is placed between the mirror 2 and the beam splitter 4 . Behind the coupling-out mirror 3 there are a λ / 4 plate 6 with non-reflecting surfaces and a phase plate 7 , which is a quartz plate etched in the hydrofluoric acid. With the aid of the converging lens 8 , the laser beam is focused into the phase-conjugating mirror 9 (a cuvette with the SBS-active medium).
Das Funktionsprinzip des Lasers ist wie folgt zu beschreiben. Zuerst bleibt der Güteschalter geschlossen und die Lichtenergie der Blitzlampen führt zur Erzeugung von Inversion im Laserstab. Zu dem Zeitpunkt, wo die Inversion ihr maximales Wert erreicht, wird der Güteschalter geöffnet und im Resonator entsteht eine Signalwelle, deren Strahlung in der p-Ebene polarisiert ist. Dabei wird der größte Teil der Lichtstrahlung durch den Spiegel 3 ausgekoppelt. Beim Passieren der λ/4-Platte 6 wird die Strahlung zirkular polarisiert, danach erfährt sie eine zusätzliche Verzerrung der Wellenfront in der Platte 6 und wird mittels der Sammellinse 8 in die SBS-Küvette 9 fokussiert. Diese stellt einen phasenkonjugierenden Spiegel (PK-Spiegel) dar, in dem nach der Reflexion der Laserwelle eine Stokes- Welle ausgebildet wird, deren Wellenfront konjugiert komplex zur Wellenfront der Laserwelle ist. Diese Stokes-Welle breitet sich in Rückwärtsrichtung auf dem gleichen Wege wie die einfallende Laserwelle aus. Dabei passiert sie die Elemente 8, 7, 6, 3 und 1 und kompensiert dort die Phasenverzerrungen der Wellenfront, die die Laserwelle bei ihrer Ausbreitung in die Hinrichtung in den optischen Medien erfahren hatte. Da die Frequenz-Verschiebung der Stokes-Welle (Δν = 0,1 cm-1) klein gegenüber der Laserwelle ist wird die sie im Lasermedium optimal verstärkt. Da sie aber die s-Polarisation hat, wird sie am polarisationsabhängigen Strahlteiler 5 ausgekoppelt.The principle of operation of the laser can be described as follows. First, the Q-switch remains closed and the light energy of the flash lamps leads to the generation of inversion in the laser rod. When the inversion reaches its maximum value, the Q-switch is opened and a signal wave is generated in the resonator, the radiation of which is polarized in the p-plane. The major part of the light radiation is coupled out through the mirror 3 . When passing through the λ / 4 plate 6 , the radiation is circularly polarized, then it experiences an additional distortion of the wavefront in the plate 6 and is focused into the SBS cuvette 9 by means of the converging lens 8 . This represents a phase conjugate mirror (PK mirror), in which a Stokes wave is formed after the reflection of the laser wave, the wavefront of which is conjugate complex to the wavefront of the laser wave. This Stokes wave propagates in the reverse direction in the same way as the incident laser wave. In doing so, it passes through elements 8 , 7 , 6 , 3 and 1 and there compensates for the phase distortions of the wavefront that the laser wave had experienced in the optical media during its propagation in the direction of execution. Since the frequency shift of the Stokes wave (Δν = 0.1 cm -1 ) is small compared to the laser wave, it is optimally amplified in the laser medium. However, since it has s-polarization, it is coupled out at the polarization-dependent beam splitter 5 .
Die Effektivität des Energieabbaus im Lasermedium 1 hängt von der Intensität der am Eingang des Verstärkers einfallenden Laserwelle ab. Dank der Resonator-Anordnung mit einem schwach reflektierenden Auskoppelspiegel 3, werden die am Eingang des Verstärkers eintreffenden Lichtimpulse intensiv genug, um die Inversion in einem Durchgang effektiv abzubauen.The effectiveness of the energy dissipation in the laser medium 1 depends on the intensity of the laser wave incident at the input of the amplifier. Thanks to the resonator arrangement with a weakly reflecting coupling-out mirror 3 , the light pulses arriving at the input of the amplifier become intense enough to effectively reduce the inversion in one pass.
Der Laser (Abb. 2) besteht aus einem Resonator, der von Spiegeln 2 und 3 gebildet wird, in dem näher zum Auskoppelspiegel 3 ein isotropes aktives Element 1 (Laserstab) in der Form eines Zylinders mit entspiegelten Endflächen plaziertes ist. Der konvexe Spiegel 2 weist eine hochreflektierende dielektrische Beschichtung auf. Der Auskoppelspiegel 3 stellt eine plan-konvexe dünne Linse dar, deren konvexe Fläche entspiegelt ist und die plane Fläche eine dielektrische Schicht aufweist, die einen niedrigen Reflexionskoeffizienten hat (10 bis 15% für den Nd : YAG-Laser mit einem aktiven Element von 100 mm Länge und mit einem Durchmesser von 6,3 mm). In der Nähe des Auskoppelspiegels 3 ist eine Aperturblende 4 plaziert, deren Öffnung einen Durchmesser ∅ ≧ 2/3 des Durchmessers des Laserstabes 1 aufweist. Zwischen der Blende 4 und dem Laserstab 1 ist unter dem Brewster-Winkel ein Polarisator 5 plaziert, der einen hohen Transmissionskoeffizienten für die p-Komponente und einen hohen Reflexions koeffizienten für die s-Komponente der Polarisation besitzt. Am anderen Ende des Laserstabes 1 ist unter dem Brewster-Winkel ein anderer Polarisator 6 plaziert, der einen hohen Transmis sionkoeffizienten für die p-Komponente und einen hohen Reflexionskoeffizienten für die s-Komponente der Polarisation besitzt. Zwischen dem Spiegel 2 und dem Polarisator 6 ist auch ein elektrooptischer Güteschalter 7 plaziert. Hinter dem Auskoppelspiegel 3 befindet sich eine λ/2-Platte 8 mit entspiegelten Oberflächen. Die Umlenkspiegel 9 und 10 stellen eine optische Anordnung dar, die einen schwach divergierenden und in der s-Ebene polarisierten Laserstrahl auf den Polarisator 5 unter dem Brewster- Winkel ausrichtet. Nach der Reflexion am Polarisator 5 gelangt der Laserstrahl in den Laserstab 1, wo er verstärkt und danach mittels Polarisator 6 ausgekoppelt wird.The laser (Fig. 2) consists of a resonator formed of mirrors 2 and 3, 1 (laser rod) is item placed in the form of a cylinder having non-reflective end surfaces in the closer to the output mirror 3, an isotropic active element. The convex mirror 2 has a highly reflective dielectric coating. The coupling-out mirror 3 represents a plane-convex thin lens, the convex surface of which is anti-reflective and the plane surface has a dielectric layer which has a low reflection coefficient (10 to 15% for the Nd: YAG laser with an active element of 100 mm Length and with a diameter of 6.3 mm). An aperture diaphragm 4 is placed near the coupling-out mirror 3 , the opening of which has a diameter ∅ ≧ 2/3 of the diameter of the laser rod 1 . Between the aperture 4 and the laser rod 1 , a polarizer 5 is placed under the Brewster angle, which has a high transmission coefficient for the p component and a high reflection coefficient for the s component of the polarization. At the other end of the laser rod 1 , another polarizer 6 is placed under the Brewster angle, which has a high transmission coefficient for the p component and a high reflection coefficient for the s component of the polarization. An electro-optical Q-switch 7 is also placed between the mirror 2 and the polarizer 6 . Behind the decoupling mirror 3 there is a λ / 2 plate 8 with anti-reflective surfaces. The deflection mirrors 9 and 10 represent an optical arrangement which aligns a weakly diverging and polarized in the s-plane laser beam onto the polarizer 5 at the Brewster angle. After reflection at the polarizer 5 , the laser beam enters the laser rod 1 , where it is amplified and then coupled out by means of the polarizer 6 .
Das Funktionsprinzip des Lasers ist wie folgt zu beschreiben. Zuerst bleibt der Güteschalter geschlossen und die Lichtenergie der Blitzlampen führt zur Erzeugung von Inversion im Laserstab. Zu dem Zeitpunkt, wo die Inversion ihr maximales Wert erreicht, wird der Güteschalter geöffnet und im Resonator entsteht eine Signalwelle, deren Strahlung in der p-Ebene polarisiert ist. Dabei wird der größte Teil der Lichtstrahlung durch den Spiegel 3 ausgekoppelt. Beim Passieren der λ/2-Platte 8 dreht sich die Polarisationsebene der durchgehender Strahlung um 90°, so daß sie in der s-Ebene polarisiert am Umlenkspiegel 9 eintrifft. Nach der Reflexionen an den Umlenkspiegeln 9, 10 und dem Polarisator 5 gelangt die Strahlung wieder in den Laserstab 1, wo sie in einem Durchgang verstärkt und mittels Polarisator 6 ausgekoppelt wird. Somit laufen die Prozesse der Strahlungserzeugung sowie der Strahlungsverstärkung in ein und demselben aktiven Medium 1 ab.The principle of operation of the laser can be described as follows. First, the Q-switch remains closed and the light energy of the flash lamps leads to the generation of inversion in the laser rod. When the inversion reaches its maximum value, the Q-switch is opened and a signal wave is generated in the resonator, the radiation of which is polarized in the p-plane. The major part of the light radiation is coupled out through the mirror 3 . When passing the λ / 2 plate 8 , the polarization plane of the continuous radiation rotates by 90 °, so that it arrives at the deflecting mirror 9 polarized in the s plane. After the reflections on the deflecting mirrors 9 , 10 and the polarizer 5 , the radiation returns to the laser rod 1 , where it is amplified in one pass and coupled out by means of the polarizer 6 . The processes of radiation generation and radiation amplification thus take place in one and the same active medium 1 .
Die Effektivität des Energieabbaus im Lasermedium 1 hängt von der Intensität der am Eingang des Verstärkers einfallenden Laserimpulse ab. Dank der Resonator-Anordnung mit einem schwach reflektierenden Auskoppelspiegel 3, werden die am Eingang des Verstärkers eintreffenden Lichtimpulse intensiv genug, um die Inversion in einem Durchgang effektiv abzubauen.The effectiveness of the energy dissipation in the laser medium 1 depends on the intensity of the laser pulses incident at the input of the amplifier. Thanks to the resonator arrangement with a weakly reflecting coupling-out mirror 3 , the light pulses arriving at the input of the amplifier become intense enough to effectively reduce the inversion in one pass.
Die Modenstruktur der Laserstrahlung hängt von den Eigenschaften des teleskopischen Resonators ab. In unserem Fall beginnt der Laserprozess zuerst im axialen Bereich des Laserstabes, da hier die Beugungsverluste am kleinsten sind Dank der Divergenz und der Verstärkung der Strahlung im Lasermedium vergrößert sich der Durchmesser dieses Bereichs, so daß die Signalwelle nach mehreren Durchgängen praktisch die gesamte Apertur des Laserstabes ausfüllt. Da die Intensität der Lichtwelle im axialen Bereich des Laserstabes viel höher ist als an seiner Peripherie, kommt es hier eher zur Sättigung der Verstärkung. Räumlich gesehen wird dabei die Spitze des Impulses weniger und seine Flügel mehr verstärkt, so daß die Flügel nachgezogen werden und eine rechteckähnliche räumliche Intensitätsverteilung zustande kommt. Außerdem kann in der erfindungsgemäßen Anordnung eine Verkürzung der Impulsdauer des Riesenimpulses um Faktor 70 erzielt werden.The mode structure of the laser radiation depends on the properties of the telescopic resonator. In In our case, the laser process begins first in the axial area of the laser rod, since here the Diffraction losses are smallest thanks to the divergence and the amplification of the radiation in the Laser medium increases the diameter of this area, so that the signal wave after several Passages practically fills the entire aperture of the laser rod. Since the intensity of the light wave in axial area of the laser rod is much higher than at its periphery, it tends to saturate here of reinforcement. Spatially speaking, the tip of the impulse becomes less and its wings more reinforced so that the wings are drawn and a rectangular-like spatial Intensity distribution comes about. In addition, in the arrangement according to the invention The pulse duration of the giant pulse can be shortened by a factor of 70.
Claims (2)
- a) einem stabilen teleskopischen Resonator mit einem quadratischen Phasenkorrektor. Der teleskopische
Resonator besteht aus einem 100%-reflektierenden Konkav-Spiegel 2 mit dem Krümmungsradius r1
< 0 und einer plan-konvexen Linse 3 mit der Brennweite f, deren sphärische Fläche entspiegelt ist
und die Planfläche eine schwachreflektierende dielektrische Beschichtung aufweist, wobei sie einem
konkaven Spiegel mit dem Krümmungsradius
r2 = f < 0 äquivalent ist.
Die Resonatorlänge und die Krümmungsradien beider Spiegel sind dabei so gewählt, daß folgenden Beziehungen erfüllt werden:
g1/g2 ≧ 2,5; 0,9 < g1g2 < 1; L2/L1 ≧ 2;
g1 = 1-(L2 + 1a/2na)/fa-L0/r1; g2 = 1-(L1 + 1a/2na)/fa-L0/r2;
L0 = L1 + L2 + 1a/na-(L1 + 1a/2na)(L2 + 1a/2na)/fa.
Dabei bedeuten:
L1 - der Abstand zwischen dem 100%-Spiegel und dem aktiven Element,
L2 - der Abstand zwischen dem Auskoppelspiegel und dem aktiven Element,
1a - die Länge des aktiven Elementes,
fa - die Brennweite der im aktiven Element induzierten thermischen Linse,
na - der Brechungsindex des aktiven Mediums. - b) einem polarisationsabhängigen Strahlteiler 5, der innerhalb des Resonators zwischen dem Laserstab 1 und dem Güteschalter 4 plaziert ist, so daß er einen sehr hohen Transmissionskoeffizienten für das Licht mit der p-Polarisation und einen sehr hohen Reflexionskoeffizienten für das Licht mit der s- Polarisation aufweist.
- c) einer optischen Anordnung zur Rotation der Polarisationsebene um 90°, die sich hinter dem Ausgangsspiegel befindet und aus einer λ/4-Platte 6, einer Phasenplatte 7, einer Sammellinse 8 und aus einer Küvette 9 mit dem SBS-Medium besteht.
- a) a stable telescopic resonator with a quadratic phase corrector. The telescopic resonator consists of a 100% reflective concave mirror 2 with the radius of curvature r 1 <0 and a plane-convex lens 3 with the focal length f, the spherical surface of which is non-reflective and the plane surface has a weakly reflective dielectric coating, one of which concave mirror with the radius of curvature r 2 = f <0 is equivalent.
The resonator length and the radii of curvature of both mirrors are chosen so that the following relationships are fulfilled:
g 1 / g 2 ≧ 2.5; 0.9 <g 1 g 2 <1; L 2 / L 1 ≧ 2;
g 1 = 1- (L 2 + 1 a / 2n a ) / f a -L 0 / r 1 ; g 2 = 1- (L 1 + 1 a / 2n a ) / f a- L 0 / r 2 ;
L 0 = L 1 + L 2 + 1 a / n a - (L 1 + 1 a / 2n a ) (L 2 + 1 a / 2n a ) / f a .
Here mean:
L 1 - the distance between the 100% level and the active element,
L 2 - the distance between the output mirror and the active element,
1 a - the length of the active element,
f a - the focal length of the thermal lens induced in the active element,
n a - the refractive index of the active medium. - b) a polarization-dependent beam splitter 5 , which is placed within the resonator between the laser rod 1 and the Q-switch 4, so that it has a very high transmission coefficient for the light with the p-polarization and a very high reflection coefficient for the light with the s-polarization having.
- c) an optical arrangement for rotating the polarization plane by 90 °, which is located behind the output mirror and consists of a λ / 4 plate 6 , a phase plate 7 , a converging lens 8 and a cuvette 9 with the SBS medium.
- a) einem stabilen teleskopischen Resonator mit einem quadratischen Phasenkorrektor. Der teleskopische Konkav-Konvex-Resonator besteht aus zwei Spiegeln 2 und 3, wobei der Konkav-Spiegel 2 einen Krümmungsradius r1 < 0 hat und 100%-reflektierend ist und der Auskoppelspiegel 3 eine plan- konvexe Linse mit der Brennweite f darstellt, deren sphärische Fläche entspiegelt ist und die Planfläche eine schwachreflektierende dielektrische Beschichtung aufweist, wobei sie einem konkaven Spiegel mit dem Krümmungsradius r2 = f < 0 äquivalent ist.
- b) einer Aperturblende mit dem Durchmesser ∅ ≧ 2/3, die innerhalb des Resonators in der Nähe des
Auskoppelspiegels plaziert wird und für die folgende Beziehung erfüllt ist:
10 ≦ ∅2/4λL ≧ 15,
wobei
L = L1 + L2 + 1an - die optische Länge des Resonators,
λ - die Laserwellenlänge bedeuten. - c) zwei gleichen polarisationsabhängigen Strahlteiler 5 und 10, die innerhalb des Resonators zu beiden Seiten des aktiven Elementes unter dem Brewster-Winkel plaziert sind und einen sehr hohen Transmissionskoeffizienten für das Licht mit der p-Polarisation und einen sehr hohen Reflexionskoeffizienten für das Licht mit der s-Polarisation besitzen.
- d) einer optischen Anordnung zur Rotation der Polarisationsebene um 90°, die sich hinter dem Ausgangsspiegel befindet und eine λ/2-Platte 6 und zwei Umlenkspiegel 12 und 13 besitzt, so daß der ausgekoppelte Laserstrahl nach dem Passieren dieser Elemente mittels einer Reflexion am Polarisator wieder in das aktive Element eingekoppelt wird.
- a) a stable telescopic resonator with a quadratic phase corrector. The telescopic concave-convex resonator consists of two mirrors 2 and 3 , wherein the concave mirror 2 has a radius of curvature r 1 <0 and is 100% reflective and the coupling mirror 3 represents a plane-convex lens with the focal length f, the spherical surface is anti-reflective and the flat surface has a weakly reflective dielectric coating, it being equivalent to a concave mirror with the radius of curvature r 2 = f <0.
- b) an aperture diaphragm with the diameter ∅ ≧ 2/3, which is placed inside the resonator in the vicinity of the coupling-out mirror and is fulfilled for the following relationship:
10 ≦ ∅ 2 / 4λL ≧ 15,
in which
L = L 1 + L 2 + 1 a n - the optical length of the resonator,
λ - mean the laser wavelength. - c) two identical polarization-dependent beam splitters 5 and 10 , which are placed inside the resonator on both sides of the active element at the Brewster angle and have a very high transmission coefficient for the light with the p-polarization and a very high reflection coefficient for the light with the have s polarization.
- d) an optical arrangement for rotating the polarization plane by 90 °, which is located behind the output mirror and has a λ / 2 plate 6 and two deflection mirrors 12 and 13 , so that the decoupled laser beam after passing through these elements by means of a reflection on the polarizer is coupled back into the active element.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998155801 DE19855801A1 (en) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | Wide beam oscillator-amplifier device for industrial or medical laser has concave mirror, planoconvex lens, polarization-dependent beam splitter and polarization plane rotation device |
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| DE1998155801 DE19855801A1 (en) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | Wide beam oscillator-amplifier device for industrial or medical laser has concave mirror, planoconvex lens, polarization-dependent beam splitter and polarization plane rotation device |
Publications (1)
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| DE19855801A1 true DE19855801A1 (en) | 2000-06-15 |
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ID=7889856
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| DE1998155801 Ceased DE19855801A1 (en) | 1998-12-03 | 1998-12-03 | Wide beam oscillator-amplifier device for industrial or medical laser has concave mirror, planoconvex lens, polarization-dependent beam splitter and polarization plane rotation device |
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|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1998
- 1998-12-03 DE DE1998155801 patent/DE19855801A1/en not_active Ceased
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