DE2045446C3

DE2045446C3 - Laser mit optischem Resonator

Info

Publication number: DE2045446C3
Application number: DE2045446A
Authority: DE
Inventors: Eric Gung Hwa Mahopac Lean; Robert Anthony New York Myers
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-10-27
Filing date: 1970-09-15
Publication date: 1979-10-18
Also published as: GB1256060A; DE2045446A1; DE2045446B2; FR2065536B1; US3626324A; FR2065536A1; SE367519B

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser, wie er dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist. Während normalerweise bei Lasern als spiegelnde Flächen ausgebildete Reflexionsmittel an beiden Enden eines optischen Resonators angebracht sind, um das Laserlicht durch ein aktives Medium hin und her zu reflektieren, ist in der Veröffentlichung »Interaction of Light and Microwave Sound« in der Zeitschrift »Proceedings of the IEEE«, Band 53, Nummer 10, Oktover 1965, auf der Seite 1619 ein Laser beschrieben, bei dem ein Schallwellenfeld als Lichtreflektor Anwendung findet. Bei dieser Anordnung wird mit Hilfe eines Laserstrahls in einer Brillouin-Zelle eine Schallwelle erzeugt, die zu einer hierbei reflektierten Laserstrahlung mit um die Schallwellenlänge reduzierter Lichtwellenlänge als Ausgangsstrahlung führt. Eine derartige Anordnung ist jedoch für ein^n normalen Laserbetrieb insofern nicht brauchbar, da dort die zur Bildung eines optischen Resonators dienenden Reflektoren nach jeweiliger Reflexion kein Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge in das aktive Medium zurücklenken dürfen. Die Anregung des aktiven Mediums soll vielmehr bei jedem Strahldurchgang mit gleicher Frequenz erfolgen.

Auch in einer weiteren Veröffentlichung »A New Laser Q-Switch-Technique Using Stimulated Brillouin Scattering« in der Zeitschrift »Physics Letters«, Band

4")

W) 24A, Nummer 4 vom 13. Februar 1967 auf den Seiten 239 und 240 wird eine Laseranordnung unter Ausnutzung induzierter Brillouin-Steuerung verwendet, bei der durch die eingestrahlte Laserstrahlung selbst hervorgerufene Schallwellen auftreten. Allerdings wird hier in Kauf genommen, daß die abgegebene Laserstrahlung innerhalb eines mehr oder weniger großen Frequenzspektrums erfolgt, also nicht auf einen engen Frequenzbereich, wie für viele Laseranwendungen erwünscht, konzentriert ist

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schallwellen-Volumreflektor für Laserstrahlung bereitzustellen, der das abgestrahlte Laserlicht ohne Frequenzumwandlung zu reflektieren gestattet, und zwar, wie bei Lasern üblich, innerhalb eines sehr engen Frequenzbereiches, wobei der Reflektor als zerstörungsfreies Bauelement für Höchstleistungs-Laserimpulse herangezogen werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Es sind zwar bereits Schallfelder enthaltende akustische Zellen in Verbindung mit Lasern verwendet worden, siehe z. B. US-Patentschrift 32 97 876 und 33 65 581; bei diesen Anordnungen handelt es sich jedoch um Laser mit optischen Resonatoren, bei denen in üblicher Weise spiegelnde Flächen als Laserreflektoren Verwendung finden. Die akustischen Zellen dienen hierbei lediglich zur Modulation des aus dem optischen Resonator ausgekoppelten Laserstrahls oder zur Ablenkung des aus einem optischen Resonator ausgekoppelten Laserstrahls. Die Verwendung derartiger akustischer Zellen als Reflektor wird hierdurch aber noch nicht einmal nahegelegt.

Auch in der Veröffentlichung »Acusto-Optic Tunable Filter« in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America«, Band 59, Nummer 6, Juni 1969, Seiten 744 — 747, ist ein akustooptisch abstimmbares Filter beschrieben, das, seinem Zweck entsprechend, zur Durchlässigkeit einfallender Lichtstrahlen eingerichtet ist. Hierbei wird orthogonal zum Lichtstrahlengang ein Schallwellenfeld angeregt, das nach Reflexion sich längs des Lichtstrahls auszubreiten vermag. In Abhängigkeit von der Intensität des Schallfeldes wird das durch die akustischen Zellen gelenkte Licht mehr oder weniger gedämpft. Eine Reflexion einfallender Lichtstrahlen ist hierbei jedoch nicht vorgesehen.

Gegenüber dem genannten Stand der Technik stellt sich mit der Erfindung also der Vorteil ein, daß sich die Laserstrahlenergie bei Reflexion in der akustischen Zelle über ein mehr oder weniger großes Volumen verteilt, gegenüber einer sonst stattfindenden Laserstrahlenergiekonzentration in hoher Dichte an einer reflektierenden Oberfläche, die ja zur Begrenzung des jeweiligen optischen Resonators dient. Bei der Erfindung findet also eine Laserstrahlreflexion an Schallwellen, oder besser gesagt an den elastischen Wellen des jeweils verwendeten, als Lichtreflektor dienenden Mediums, das im übrigen fest oder flüssig sein kann, statt.

Die vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung läßt vermeiden, daß die Schallquelle selbst durch die Laserstrahlen beeinflußt werden kann. Als Schallquelle kann dabei ein elektroakustischer Wandler dienen, der in an sich bekannter Weise durch Signalimpulse anregbar ist. Je nach Frequenz und Amplitude dieser elektrischen Signalimpulse ist darüber hinaus das Schallfeld veränderbar, so daß z. B. ein elektronisch

veränderbarer Laserreflektor in entsprechender Ausgestaltung der Erfindung bereitgestellt werden kann. Es !ißt sich also auch eine elektronische Steuerung der Durchlässigkeit eines derartigen Volumreflektors vorsehen.

Als als Lichtreflektor dienendes Medium kann in vorteilhafter Weise Tellur oder Galliumarsenid gewählt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der Zeichnung erläutert

Das in der Zsichnung gezeigte Ausführungsbeispiei enthält eine Ultraschallzelle als Volumreflektor zur Darstellung eines den optischen Resonator begrenzenden Spiegels. Der optische Resonator enthält ein für den Laserprozeß aktives Medium 10, bestehend z. B. aus Kohlenstoffdioxyd, das zu stimulierter Strahlungsernission anregbar ist Zur einen Seite des aktiven Mediums befindet sich ein erster Reflektor 12, bestehend, wie üblich, aus einem Planspiegel, während als zweiter Reflektor eine akustische Zelle 14 dient, die aas einem als Lichtreflektor dienenden Medium 16 mit einem elektroakustischen Wandler als Schallquelle 18 besteht.

Das als Lichtreflektor dienende Medium 16 kann entweder ein Kristall, z. B. Quarz, sein oder durch eine Flüssigkeitszelle dargestellt werden. Die Schallquelle 18 ist seitlich am Ende des als Lichtreflektor dienenden Mediums 16 angebracht und liegt gegenüber einer unter einem Winkel verlaufenden, bzw. schräg geneigten Fläche 20. Die Schallquelle 18 wird mit elektrischen Signalen eines Signalgenerators 22 betrieben, der in geeigneter Weise an einen elektroakustischen Wandler als Schallquelle 18 angepaßt ist. Der Signalgenerator 22 gibt ein Mikrowellensignal auf diese Schallquelle 18 ab, der im Ansprechen hierauf Schallwellen erzeugt, die das Schallfeld 15 bilden.

Die Schallquelle 18 erzeugt Longitudinalwellen, die von der schräg geneigten Fläche 20 reflektiert werden, so daß sich in Längsrichtung des als Lichtreflektor dienenden Mediums 16 ausbreitende Schallwellen bilden. Der Grund ciafür, daß die Schallquelle 18 an der Seite des als Lichtreflektor dienenden Mediums 16 angebracht ist, statt an seinem Ende, liegt darin, daß ein gewisser Anteil des Laserlichtes durch das als Lichtreflektor dienende Medium 16 hindurchgelangt und damit aus dem optischen Resonator ausgekoppelt wird; dabei ist es dann nicht angebracht, wenn die Schallquelle 18 im Strahlengang liegt. Der restliche Teil des als Lichtreflektor dienenden Mediums wird an die schräg geneigte Fläche 20 mit einem geeigneten Kleber, wie z. B. Balsam, angeklebt. Die schräg geneigte Fläche 20 stellt zwar eine Fehlanpassung für Schallwellen, jedoch nicht für Laserlicht dar. Der Neigungswinkel der geneigten Fläche ist eine Funktion von Abmessung und Art des Materials, das für dieses als Lichtreflektor dienende Medium 16 Verwendung findet.

Wie bereits angegeben, wirkt die akustische Zelle 14 als Reflektor für den optischen Resonator. Die akustische Zelle 14 liegt daher im Strahlengang des Laserlichtes, das sich vom aktiven Medium 10 her ausbreitet. Es ist an sich bekannt, daß die Wechselwirkung von Schallquellen im Mikrowellenbereich und von elektromagnetischen Wellen im Lichtwellenbereich zur Beeinflussung eines Lichtstrahls ausgenutzt werden kann, insbesondere zu seiner Ablenkung. Der Signalgenerator 22 erzeugt ein Mikrowellensignal bei vorgegebener Frequenz f, wobei die sich ergebende akustische Wellenlänge im Schallfeld 15 der Beziehung A= v/ientspricht, worin ν die Schallgeschwindigkeit im Verzögerungsmedium 16 ist Die Frequenz /ist dabei so gewählt daß nachstehende Gleichung erfüllt wird:

2h. I ~

Hierin ist m eine ganze Zahl, Ao die Wellenlänge des

einfallenden Laserlichtes, η der Brechungsindex des

ι ο Verzögerungsmediums 16 und Λ die Schallwellenlänge.

Ist Gleichung (1) durch entsprechende Wahl der

Frequenz /" erfüllt, dann wird das Laserlicht um 180° umgelenkt und gelangt in das aktive Medium 10 zurück.

Das einfallende Laserlicht und die Schallwellen im Schallfeld 15 wirken in einer Wechselwirkungszone der Länge ζ im Schallfeld 15 gegenseitig aufeinander ein; oder anders ausgedrückt, das auf das Schallfeld 15 einfallende Laserlicht steht in Wechselwirkung mit den Schallwellen im Schallfeld längs einer Länge z. Aus diesem Grunde läßt sich die akustische Zelle 14 auch als Volumreflektor bezeichnen.

Das einfallende Laserlicht U nimmt dabei in der Intensität exponentiell ab, während das reflektierte Laserlicht h exponentiell anwächst, und zwar jeweils in Funktion der Wechselwirkungslänge z. Für das einfallende Licht gilt dann:

H) Hierin ist h (O) das auf die Stirnseite des Schallfeldes 15 anfallende Laserlicht Nach Eintritt in dieses Schallfeld nimmt die Intensität h (O) exponentiell ab, indem seine Energie auf das reflektierte Laserlicht /₂ infolge parametrischer Wechselwirkung abgegeben

wird, so daß die Intensität I₂ exponentiell zunimmt Die Konstante Γ in der Gleichung (2) enthält optische und elastische Konstanten der akustischen Zeile 14 sowie die von der Schallquelle 18 abgegebene akustische Leistung P₅. Die Gleichung für diese Konstante Γ lautet wie folgt:

Hierin bedeuten:

ωι die Frequenz des einfallenden Lichtes

0)2 die Frequenz des reflektierten Lichtes

P die photoclastische Konstante des Mediums

>⁽¹ 16

Q die Dichte des Mediums

Ps die Schalleistung

ν die Schallgeschwindigkeit

Gleichung (3) ergibt sich aus dem parametrischen Wechselwirkungsprozeß zwischen Lichtwellen und Schallwellen im Mikrowellenbereich, wie es im einzelnen der Veröffentlichung »Interaction of Light and Microwave Sound«, von C. F. Q u a t e u. a. in

„ο »Proceedings of the IEEE«, Band 53, Nr. 10, Seite 1604, Oktober 1965, zu entnehmen ist.

Um einen wirkungsvollen Laserreflektor zu erhalten, muß der Wirkungsgrad der Rückwärtsstreuung der akustischen Zelle 14 relativ groß sein, insbesondere

tv-, dann, \* ;nn die Intensität des Laserlichtes gering ist.

Die erforderliche Länge des als Lichtreflektor dienenden Mediums 16 läßt sich aus der Gleichung (2) herleiten, wenn das erforderliche Reflexionsvermögen

für das Laserlicht und die Konstante Γ eines geeigneten Materials für eine gegebene Schalleistungsdichte P, bekannt sind. Wird so z. B. ein Reflexionsvermögen von 90% angenommen, dann ergibt sich für das Produkt aus der Konstanten Γ und der Länge L des Schallwellen-Verzögerungsmediums

IL = 1.15

(4)

Aus der weiter unten stehenden Tabelle ergeben sich geeignete Materialien für den Laservolumreflektor mit zweckentsprechend geringer Länge L, wobei weiterhin die Parameter der Materialien für akustische Zellen angegeben sind, die für eine Verwendung mit einem CCVLaser bei einer Eingangsschall-Leistungsdichte P_s von 2000 W/m² brauchbar sind. Diese Parameter sind

Tabelle

unter Zuhilfenahme der Gleichungen (3) und (4 errechnet. Dabei entspricht einer Schalleistungsdichtc P₅ von 2000 W/m² eine Schalleistung von 0,2 W in einer Schallsäule von 1 mm² Querschnitt. Die Gesamtschalleistung kann allerdings bis zu 1OW betragen. Je größei die Schalleistungsdichte ist, um so kürzer ist die erforderliche Länge L des als Lichtreflektor dienender Mediums. Eine weitere Erfordernis für ein geeignete; Material des Laservolumreflektors ist eine geringe Schallwellendämpfung für eine Mittenfrequenz f, für die die Rückwärtsstreubedingung nach Gleichung (1) erfüll· ist. Die Dämpfung jeden Materials ist in der Tabelle ir der letzten Spalte aufgeführt. Die Überschußdämpfung im als Lichtreflektor dienenden Medium läßt sich überwinden, indem die Eingangsschalleistung P₅ und die Länge L des Verzögerungsmediums entsprechenc vergrößert wird.

Material

km/s

/.
cm

Dämpfung
ilb/cm

KRS-5	2,52	2,0
Tellur	4,80	3,14
GaAs	3,1	5,3

2,1

0,95	1	,27 x 10-	0,9	5	bei 545MHz
3,0	8	,5 X 10^:	0,135	3	bei 300MHz
3,1	1	,12X 10²	1,0	6	bei 630 MHz

Mit obenstehenden Ausführungen ist ein Volumreflektor für einen optischen Resonator eines Lasers beschrieben, der die Wechselwirkung zwischen Lichtwellen und Schallwellen in vorteilhafter Weise ausnutzt. Es handelt sich hierbei insofern um einen Volumreflektor, weil die Anordnung so wirkt, als ob ein dicker Spiegel vorliegen würde, der aus einer Vielzahl optischer Schichten besteht, wobei dann das einfallende Licht gewissermaßen an den hier auftretenden Schallwellen reflektiert wird. Aus diesem Grunde lassen sich die Reflexionsmittel vorliegender Erfindung in Hochleistungslasern ohne Gefahr der Zerstörung verwenden.

Die Anwendung vorliegender Erfindung bringt aber auch noch weitere Vorteile. Aus den Gleichungen (2) und (3) ist ersichtlich, daß der aus dem optischen Resonator über die akustische Zelle 14 ausgekoppelte Lichtanteil geändert werden kann, indem die Eingangsschalleistung geändert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die akustische Zelle 14 gleichzeitig als Modulator mit einer Zeitkonstante t= LJv wirkt, wo 1 die Länge der akustischen Zelle und ν die Schallge schwindigkeit ist. Weiterhin läßt sich die akustisch! Zelle 14 in vorteilhafter Anwendung auch als Güte schalt-Modulator mit einer Impulsfolgefrequenz voi v/L verwenden. Wird die Resonatorlänge so eingestelli daß der Abstand für den Longitudinal-Schwingungstyj auf die Eingangsschalleistungs-Frequenz abgestimmt isl dann läßt sich die akustische Zelle 14 auch für dei Eigenschwingungskopplungs-Betrieb des Lasers ver wenden.

Wenn im gezeigten Ausführungsbeispiel zur Bildunj eines optischen Resonators neben dem Volumreflekto 14 ein ebener Reflektor 12 Verwendung findet, dam entspricht dies der Minimalanforderung zur Realisie rung der Erfindung. Statt dessen ließen sich nämlicl auch zwei Volumreflektoren verwenden, wobei dam natürlich der ebene Reflektor entfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laser mit optischem Resonator und mit einem aus einem Medium, in dem Schallwellen anregbar sind, bestehenden Lichtreflektor für die vom aktiven Lasermedium ausgehende Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das als Lichtreflektor dienende Medium (16) mit einer außerhalb des optischen Strahlenganges angebrachten Schall- iu quelle (18) in Verbindung steht, deren Frequenz

2)ir
»i/o

r>

ist, wobei m eine ganze Zahl, π der Brechungsindex des Mediums (16) bei der Wellenlänge A₀ des einfallenden Laserlichtes und ν die Schallgeschwindigkeit im Medium (16) ist, und daß das als Lichtreflektor dienende Medium (16) in Richtung 2» der Ausbreitung des Laserlichtes eine genügend große Länge aufweist, um infolge der Wechselwirkung des Schallfeldes (15) mit den einfallenden Laserlichtstrahlen eine nahezu vollständige Reflexion des Laserlichtes zu erreichen. 2 >

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler (18) als Schallquelle mit einem im als Lichtreflektor dienenden Medium (16) angebrachten Schallwellenreflektor (20) derart zusammenwirkt, daß die von der als elektroakustischer Wandler ausgebildeten Schallquelle (18) abgegebenen Schallwellen in den Laserstrahlengang des als Lichtreflektor dienenden Mediums (16) zur Bildung des Schallfeldes (15) gelenkt werden. j->

3. Laser nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtreflektor dienendes Medium (16) Tellur oder Galliumsenid gewählt ist.