DE2818908A1

DE2818908A1 - Laserresonator

Info

Publication number: DE2818908A1
Application number: DE19782818908
Authority: DE
Inventors: Erik Bergqvist
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1978-04-28
Publication date: 1978-11-02
Also published as: NO781484L; NO147620B; FR2389257B1; FR2389257A1; GB1590621A; NO147620C

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserresonator mit einem in einem optischen Resonatorhohlraum angeordneten aktiven Stoff und zwei parallelen Strahlengängen , einer Einrichtung zum Anregen des aktiven Stoffes, einem gemeinsamen Endreflektor zur Begrenzung des Resonatorhohlraums, so daß bei angeregtem aktivem Material eine oszillierende Strahlung im Resonatorhohlraum erzeugt wird, sowie mit einem Würfeleckenprisma mit mehreren reflektierenden Flächen, so daß durch aufeinanderfolgende Reflexionen die reflektierte Strahlung parallel zur einfallenden Strahlung verläuft.

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Laserresonatoren werden z.B. in Laser-Entfernungsmessern verwendet, bei denen ein Strahlungsimpuls über ein optisches System zu einem Objekt hin übertragen wird, dessen Distanz bestimmt werden soll. Ein Teil der Strahlung wird wieder zum Entfernungsmesser zurückreflektiert, wo sie festgestellt wird. Das Zeitintervall zwischen dem ausgestrahlten Impuls und dem empfangenen Impuls ist ein Maß für den Abstand zwischen Objekt und Entfernungsmesser.

Um die Divergenz des Strahlungsbündels möglichst klein zu halten, ist es bereits bekannt, die Länge des Resonatorhohlraums dadurch zu vergrößern, daß mehrere reflektierende Oberflächen zwischen den Endreflektoren des Hohlraums verwendet werden, um ein Reflektieren der oszillierenden Strahlung im Hohlraum auf diesen Oberflächen zu ermöglichen, so daß damit eine Anzahl von aufeinanderfolgenden geraden Strahlungswegen gebildet wird. Damit wird die funktioneile Länge des Resonatorhohlraums erhöht, ohne daß die äußeren Abmessungen des Laserresonators erhöht werden.

Für eine zufriedenstellende Betriebsweise ist es wichtig, daß die reflektierenden Oberflächen des Laserresonators, einschließlich der Endreflektoren, sehr genau positioniert werden.

Etwaige Abweichungen haben einen ungünstigen Einfluß auf die Ausgangswirkung sowie auf die Form des ausgestrahlten

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Strahlungsbündels. Es ist offensichtlich, daß ein Laserresonator der oben beschriebenen Art mit zwei parallelen Strahlungsgängen sehr anfällig gegenüber etwaigen durch Erschütterungen oder Vibrationen verursachten mechanischen Be-Schädigungen ist, die fast unvermeidlich bei einer militärischen Anwendung des Laserresonators auftreten. Dies macht eine wiederholte Einstellung der optischen Komponenten erforderlich.

Bis zu einem gewissen Grad kann dieser Nachteil dadurch ausgeglichen werden, daß der gleiche Reflektor sowohl als Front- und Endreflektor dient und ein Würfeleckenprisma verwendet wird, das ein Oszillieren der Strahlung über dieses Prisma ermöglicht und das als wesentliches Kennzeichen aufweist, daß die reflektierte Strahlung parallel zur einfallenden Strahlung verläuft.

Bei bekannten Laserresonatoren der oben beschriebenen Art weist der gemeinsame Endreflektor zwei Teile auf, von denen eines für die fragliche Strahlung total reflektierend und das andere halbdurchlässig ist, so daß ein Teil der Strahlung aus dem Resonatorhohlraum heraustreten kann und den Ausgangslaserstrahl bildet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laserresonator zu schaffen, der optisch stabil arbeitet und bei dem eine solche

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Teilung des Endreflektors nicht erforderlich ist.

Eine weitere wichtige Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Laserresonator zu schaffen, der relativ kompakt ist und nur wenige optische Bauteile aufweist.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Endreflektor eine gemeinsame total reflektierende Oberfläche und das Würfeleckenprisma einen Strahlteilungspolarisator aufweist, der einen Ausgangslaserstrahl abtrennt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Strahlteilungspolarisator eine dielektrische Polarisationsschicht auf, die auf einer der reflektierenden Oberflächen des Würfeleckenprismas aufgebracht ist. Dabei ist die Schicht so beschaffen, daß ein Teil der Strahlung durch die Schicht und die reflektierende Oberfläche aus dem Resonatorhohlraum heraus übertragen wird und so ein Ausgangslaserstrahl gebildet wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Würfeleckenprisma so angeordnet, daß die Strahlung auf die reflektierende Oberfläche des Prismas mit einem Einfallswinkel einfällt, der annähernd dem sogenannten Brewster-Winkel entspricht.

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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Würfeleckenprisma, das im Laserresonator nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des im Laserresonator nach Fig. 3 verwendeten Würfeleckenprismas.

Der in Fig. 1 dargestellte Laserresonator weist einen aktiven Laserstab, z.B. einen Neodym-dotierten Glasstab auf. Der Laserstab 1 ist im Resonatorhohlraum angeordnet und weist plane Endflächen 2 und 3 auf. Eine Vorrichtung 4 zum Anregen des Laserstabes ist in dessen Nähe so angeordnet, daß im Hohlraum ein oszillierendes Strahlungsbündel erzeugt wird. Diese Vorrichtung 4 zum Anregen des Laserstabes kann z.B. aus einer Blitzröhre bestehen, durch die das Lasermedium optisch gepumpt wird, d.h. der Laserstab so viel Energie erhält, daß die Laserwirkung auftritt. Vorrichtungen zum Pumpen eines

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Lasermediums ebenso wie das Lasermedium sind dem Fachmann bekannt und werden im folgenden daher nicht beschrieben.

Der Laserresonator weist weiterhin einen optischen Resonatorhohlraum des sogenannten gefalteten Typs auf, d.h. einen Faltenhohlraum mit zwei parallelen Strahlungsgängen, so daß der gesamte Strahlungsgang aus zwei geraden Strahlungsgängen 5 und 6 besteht, die parallel zueinander verlaufen und durch einen Endreflektor in der Form eines total reflektierenden Spiegels 7 begrenzt ist. Die reflektierende Oberfläche liegt der einen Endfläche 2 des Laserstabs gegenüber und ist parallel dazu ausgerichtet. Die gesamte reflektierende Oberfläche ist total reflektierend, d.h. die einfallende Strahlung wird wieder zurückreflektiert.

Ein Würfeleckenprisma 8 ist gegenüber der anderen Endfläehe 3 des Laserstabs angeordnet. Das Wesentliche eines solchen Prismas besteht darin, durch aufeinanderfolgende Reflexionen an reflektierenden Oberflächen der vom Spiegel ausgehenden einfallenden Strahlung eine Parallelreflexion zu erteilen. Unabhängig vom Einfallswinkel ist die Ausgangsstrahlung parallel zur einfallenden Strahlung.

Das Würfeleckenprisma weist drei ebene, spiegelblanke, reflektierende Oberflächen 9, 10 und 11 (siehe Fig. 2) auf, die jeweils senkrecht zueinander stehen und die Ecke eines Würfels

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bilden. Aus Gründen der Raumersparnis wurde jedoch die Ecke des Würfels abgeschnitten. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wurden auch die Ecken 13 und 14 des Würfels abgeschnitten. Fig. zeigt eine Eingangsöffnung 15, durch die ein Strahl auf die reflektierende Oberfläche 9 einfällt, an der senkrecht zur Oberfläche 9 angeordneten Oberfläche 10 und dann auf der Oberfläche 11 reflektiert wird, auf der er das Prisma durch eine Austrittsöffnung 16 verläßt. Wie bereits oben erwähnt wurde, verläuft das Ausgangsstrahlungsbündel parallel zum einfallenden Strahl, selbst dann, wenn das Prisma bezüglich des Endreflektors nicht genau positioniert ist.

Der Resonatorhohlraum weist weiterhin ein Güteschaltelement 17 in der Form eines Kristalls aus einem Material mit elektrooptischen Eigenschaften, eine sogenannte Pockels-Zelle, die im anderen Strahlungsgang 6 zwischen dem Endreflektor und dem Würfeleckenprisma angeordnet ist, auf. Derartige Elemente sind dem Fachmann bekannt und werden dann verwendet, wenn die Ausgangsstrahlung mehr in der Form eines Impulses, wie z.B. in Laser-Entfernungsmessern, als in der Form von Dauerstrahlung benötigt wird. Die Funktion des Güteschaltelements besteht darin, daß der Reflexionsgrad der durch den Kristall hindurchtretenden Strahlung durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Kristall verändert wird.

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Die Ausgangsstrahlung vom Laserresonator wird vom Resonatorhohlraum durch einen Strahlteilungspolarisator abgetrennt, der die Form einer auf der reflektierenden Oberfläche 11 des Würfeleckenprismas angeordneten dielektrischen Polarisationsschicht 18 aufweist. Die Funktion dieser Schicht besteht darin, die einfallende Strahlung in zwei Komponenten zu zerlegen, und zwar in eine Komponente 19 mit einer mit der Bildebene von Fig. 1 zusammenfallenden Polarisationsebene, wobei diese Komponente durch die reflektierende Oberfläche 11 aus dem Resonatorhohlraum heraus hindurchtritt und den Ausgangslaserstrahl bildet, sowie eine Komponente 20 mit einer zur zuerst erwähnten Komponente senkrechten Polarisationsebene, wobei diese Komponente auf der reflektierenden Oberfläche 11 reflektiert wird und sich dann entlang des anderen Strahlungsganges 6 im Resonatorhohlraum ausbreitet. In der Nähe der reflektierenden Oberfläche 11 ist ein Korrekturprisma 21 angeordnet, das zur Strahlkorrektur dient und dem Ausgangslaserstrahl die gewünschte Richtung gibt.

Zusätzlich zu den oben erwähnten Bauteilen weist der Resonatorhohlraum auch eine einstellbare Linse 22 zur Feineinstellung des Strahlungsbündels und ein Phasenverschiebungselement 23 auf, das' den Grad der Laserwirkung des Laserresonators bestimmt.

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Im folgenden wird die Funktion des Laserresonators beschrieben, und zwar sowohl die Funktion des gesperrten bzw. blockierten Lasers als auch die des Laserbetriebs, d.h. wenn ein Laserimpuls emittiert wird. Das Sperren der Laserfunktion kann dadurch bewirkt werden, daß ein elektrisches Feld mit einer bestimmten Feldstärke an die Pockels-Zelle angelegt wird. Die auf die Pockels-Zelle auftreffende linear polarisierte Strahlungskomponente 20 wird dann durch einen einzigen Durchgang durch die Zelle in eine kreisförmig polarisierte Strahlungskomponente umgewandelt, die am Endreflektor reflektiert wird und dann wieder durch die Zelle hindurchtritt. Bei diesem Durchgang wird das kreisförmig polarisierte Strahlungsbündel wieder in eine linear polarisierte Strahlkomponente umgewandelt, wobei nun jedoch die Polarisationsebene mit der BiIdebene zusammenfällt. Durch diesen doppelten Durchgang durch die Pockels-Zelle wurde damit die Polarisationsebene um einen Winkel von 90° gedreht. Die Komponente fällt dann auf die reflektierende Oberfläche 11 des Würfeleckenprismas und wird dann linear polarisiert in der Durchgangsebene der Polarisationsschicht und tritt aus dem Resonatorhohlraum heraus. Damit kehrt keine Strahlungskomponente zum Laserstab zurück, um diesem die notwendige Verstärkung für den Laserbetrieb zu geben.

Wenn nun die an die Pockels-Zelle angelegte, das elektrisehe Feld erzeugende Spannung verändert und gleich Null ge-

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macht wird, so wird die Polarisationsebene des durch die Zelle tretenden Strahlungsbündels nicht mehr gedreht. Die auf die reflektierende Oberfläche 11 des Würfeleckenprismas entlang des Strahlungsganges 6 auftreffende Strahlungskomponente wird nun auf dieser Oberfläche reflektiert, kehrt zum Laserstab zurück und wird verstärkt. In diesem Fall hält der Strahlungsgang mit der Pockels-Zelle den Laserbetrieb aufrecht, mit dem Erfolg, daß ein Laserimpuls ausgestrahlt wird.

Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Konstruktion des Laserresonators durch eine andere Anordnung des Würfeleckenprismas noch mehr vereinfacht wird. Fig. 3 entspricht Fig. 1, und es wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das Würfeleckenprisma 8¹ hat die gleichen Merkmale wie das Prisma 8, d.h. es liefert eine Parallelreflexion unabhängig vom Einfallswinkel des einfallenden Strahlungsbündels.

Um das AusgangsStrahlungsbündel vom Laserresonator zu trennen, ist die dritte reflektierende Oberfläche des Würfeleckenprismas 8^f mit einer dielektrischen Polarisationsschicht 18' bedeckt, die entsprechend der Schicht 18 nach Fig. 1 die einfallende Strahlung in zwei Komponenten 19' und 20· aufteilt. In der Praxis ist es sehr schwierig und verursacht hohe Kosten, eine Polarisationsschicht zu erhalten, die eine vollständige Trennung zwischen den beiden Komponenten liefert. Um die Tren-

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nung zu erleichtern und die Konstruktion der Polarisationsschicht zu vereinfachen, ist das Prisma 8¹ so angeordnet, daß der Einfallswinkel der Strahlung auf die dritte reflektierende Schicht in etwa mit dem sogenannten Brewster-Winkel zusammenfällt. Bei diesem Winkel ist die Reflexion bei einer Komponente gleich Null, die eine mit der Bildebene zusammenfallende Polarisationsebene aufweist, d.h. die Komponente 19'» die durch die reflektierende Oberfläche hindurch aus dem Resonatorhohlraum heraustritt. Die Funktion der Polarisationsschicht ist dann beschränkt auf die Erhöhung der Reflexionskraft für die Komponente 20' auf den höchst möglichen ¥ert.

Ein weiterer Vorteil beim Anwenden des Brewster-Einfallswinkels besteht darin, daß die Ausgangskomponente 19' senkrecht zur reflektierten Komponente 20· verläuft. Dadurch kann auf das in Fig. 1 dargestellte Strahlkorrekturelement 21 verzichtet werden.

Bei einem normalen Glasprisma beträgt der Brewster-Winkel etwa 35°. Dies bedeutet, daß das Prisma 8¹ im Vergleich zum Prisma 8 nach Fig. 1 um einen Winkel von annähernd 15° gedreht werden muß. Dies bedeutet auch, daß die entlang der Strahlungsgänge 5 und 6 verlaufende Strahlung einen Einfallswinkel von etwa 15° an der Oberfläche 24 des Würfeleckenprismas 8¹ aufweist.

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Um das Prisma 8¹ möglichst genau einzustellen, ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Strahlung senkrecht zur Oberfläche 24 einfällt. Aus diesem Grunde ist das Würfeleckenprisma 8", wie es in Fig. 4 dargestellt ist, abgeschnitten worden, so daß die dem Resonatorhohlraum gegenüberliegende Oberfläche 24' senkrecht zu den Strahlungsgängen 5 und 6 steht. Zusätzlich dazu, daß die Einstellung des Prismas erleichtert wird, wird die Anti-Reflex-Behandlung der Oberfläche 24' vereinfacht.

Aus Gründen der Platzersparnis sind auch in Fig. 4 andere Teile des Würfeleckenprismas 8" abgeschnitten worden. In Fig. 4 ist das nicht abgeschnittene Prisma 8" mit strichpunktierten Linien 25 gekennzeichnet.

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Claims

Patentansprüche

M.} Laserresonator mit einem in einem optischen Resonatorhohlraum angeordneten aktiven Stoff und zwei parallelen Strahlengängen, einer Einrichtung zum Anregen des aktiven Stoffes, einem gemeinsamen Endreflektor zur Begrenzung des Resonatorhohlraums, so daß bei angeregtem aktivem Material eine oszillierende Strahlung im Resonatorhohlraum erzeugt wird, sowie mit einem Würfeleckenprisma mit mehreren reflektierenden Flächen, so daß durch aufeinanderfolgende Reflexionen die reflektierte Strahlung parallel zur einfallenden Strahlung verläuft, dadurch gekennzeichnet , daß der Endreflektor (7) eine einzige, total reflektierende Oberfläche und das Würfeleckenprisma (8, 8^f, 8") einen Strahlteilungs-Polarisator (18, 18¹) aufweist, der einen Ausgangs-Laserstrahl abtrennt.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlteilungs-Polarisator (18, 18') eine auf einer reflektierenden Oberfläche (11) des Würfeleckenprismas (8, 8^! _s 8") angeordnete dielektrische Polarisationsschicht aufweist.
3. Laserresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Polarisationsschicht (18, 18') eine linear polarisierte Strahlungskomponente (19, 19') mit einer Polarisationsebene gleich der Durchgangsebene der Schicht hindurchläßt und eine linear polarisierte Strahlungskomponente (20, 20') mit einer Polarisationsebene senkrecht zur Durchgangsebene reflektiert.
4. Laserresonator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß einer der parallelen Strahlungswege (5) durch den Endreflektor (7) und eine Reflektoroberfläche (9) des Würfeleckenprismas (8, 8', 8") begrenzt ist und den aktiven Stoff (1) aufweist, während der andere Strahlungsweg (6), der durch den Endreflektor (7) und eine Reflektoroberfläche (11) des Würfeleckenprismas (8, 8', 8") mit der Polarisationsschicht (18, 18') begrenzt ist, ein Gutesehaltelement (17) aufweist.
5. Laserresonator nach Anspruch 4„ dadurch gekennzeichnet , daß das Güteschaltelement (17) eine Pockels-Zelle aufweist.
6. Laserresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Würfeleckenprisma (8*, 8") so angeordnet ist, daß die Strahlung auf die eine, die Polarisationsschicht (18¹) aufweisende reflektierende Oberfläche (10) des Würfeleckenprismas mit einem Einfallswinkel auftrifft, der annähernd dem Brewster-Winkel entspricht.
7. Laserresonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Würfeleckenprisma (8¹, 8") so abgeschnitten ist, daß die dem Resonatorhohlraum gegenüberliegende Oberfläche (24) des Prismas senkrecht zur einfallenden Strahlung angeordnet ist.

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