DE2900669B2 - Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge - Google Patents
Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener WellenlängeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Zur Erzielung einer Besetzungsinversion in einem bestimmten Laserübergang kann es erforderlich sein,
das obere Laserniveau dadurch zu pumpen, daß es mittels eines intensiven Strahlungsfeldes mit einem
stark besetzten Energieniveau gekoppelt wird (optisches Pumpen). Liegt dieses stark besetzte Energieniveau
oberhalb des oberen Laserniveaus und ist der Strahlungsübergang zwischen beiden Niveaus erlaubt,
so muß die Pumpstrahlung nicht von außerhalb des Mediums zugeführt werden, vielmehr ist es möglich,
zwischen diesem Energieniveau und dem oberen Laserniveau durch Anordnung eines geeigneten optischen
Resonators einen zweiten Laserübergang zu bewirken, durch den ein für den Pumpprozeß des
interessierenden Laserniveaus ausreichend hohes Strahlungsfeld entsteht.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in Appl. Phys.
Lett 31, 1977, Seite 730-732 für ein N2: CO2: He-Lasersystem
vorgeschlagen worden. Bei dieser bekannten Vorrichtung wurde mittels eines rotierenden oder
feststehenden total-reflektierenden Spiegels und eines Spiegels, der zur Strahlungsauskopplung mit einem
Loch versehen ist, ein starkes Strahlungsfeld im Wellenlängenbereich von 9,4 bzw. 10,6 μιτι durch
entsprechende Vibrationsübergänge des CO2-Moleküls erzeugt. Gleichzeitig diente derselbe Resonator der
Erzeugung von Laserstrahlung mit Wellenlängen von 14
bzw. 16μηι. Ein starkes Strahlungsfeld im 10,6-μΐη-Laserübergang
bewirkt optisches Pumpen des (100O)-Vibrationsniveaus mit resultierendem Laserübergang
nach (011O) bei 14 μπι. Wird der 10,6^m-Laserübergang
z. B. durch einen selektiven Absorber im Resonator unterdrückt, so bewirkt der nunmehr schwingende
9,4^m-Übergang das Pumpen des (O2°0)-Vibrationsniveaus
mit resultierendem Laserübergang ebenfalls nach (011O) bei 16 μιτι. Im kontinuierlichen Betrieb wird dabei
zusätzlich das untere Vibrationsniveau (011O) durch Beifügung von geringen Mengen Wasserstoff entvölkert.
Bei der bekannten Vorrichtung werden Metallspiegel zur Reflexion der im Resonator entstehenden Strahlung
verwendet. Zwar ist die Auskopplung der Strahlung durch ein Loch in dem Spiegel in relativ einfacher Weise
durchführbar, jedoch weist diese Anordnung einige scliwerwiegende Nachteile auf. Die Auskopplung der
Strahlung durch ein Loch ist für die Qualität des Laserstrahls ungünstig. Durch die Verwendung von
Metallspiegeln besitzt der Resonator für die Strahlung beider Wellenlängen annähernd dieselbe Güte, es ist
daher nicht möglich, ihn für den jeweiligen Übergang
29 OO
unabhängig vom anderen zu optimieren.
Neben der erwünschten Laserstrahlung wird auch die Strahlung des Pumpüberganges ausgesandt. Diese kann
unter Umständen die Anwendung der erwünschten Laserstrahlung störend beeinflussen. Es kann daher
erforderlich werden, die störende Strahlung außerhalb des Laserresonators von der erwünschten Strahlung
abzutrennen und zu absorbieren. Bei hohen Strahlungsleistungen können die hierzu notwendigen Vorrichtungen
recht aufwendig sein.
Eine Wellenlängenselektion, d.h. eine Feinabstimmung
innerhalb der Laserübsrgänge ist nicht möglich, da die Ausbildung eines Laserspiegels als Reflexionsgitter
nicht die voneinander unabhängige Abstimmung in beiden Obergängen erlaubt Bei Abstimmung des einen
Überganges ware die Auskopplung des anderen Überganges nicht kontrollierbar.
Schließlich ist das bekannte Verfahren in Spektralbeteichen, in denen das metallische Reflexionsvermögen
nicht ausreicht, unbrauchbar, also beispielsweise im Ultraviolettbereich und im Vakuumultraviolettbereich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart
weiterzubilden, daß die Laserbedingungen für beide Strahlungen unabhängig voneinander optimierbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 oder des
Anspruchs 2 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die Reflexionsanordnung kann dabei verschieden aufgebaut sein.
Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Patentanspruch 1 weist die Reflexionsanordnung
ein einziges Spiegelelement mit einer dielektrischen Beschichtung auf der dem aktiven Medium zugewandten
Seite und einer weiteren dielektrischen Beschichtung auf der dieser gegenüberliegenden Seite auf.
Vorteilhaft ist auch eine zweite Anordnung gemäß Patentanspruch 2, bei welcher die Reflexionsanordnung
zwei getrennte Spiegelelemente umfaßt, die jeweils an ihrer dem aktiven Medium zugewandten Seite eine
dielektrische Beschichtung tragen.
In beiden Fällen ist jede der beiden Beschichtungen für eine der beiden Strahlungen weitgehend durchlässig
und für die andere so stark reflektierend, daß sich zusammen mit der Reflexion der anderen Beschichtung
für diese Strahlung die optimale Reflexion ergibt.
Vorzugsweise tragen die Spiegel auf der vom aktiven Medium abgewandten Seite eine Antireflexionsschicht
für die Strahlung, die von der Beschichtung des jeweiligen Spiegels durchgelassen wird. Dies stellt eine
an sich bekannte Maßnahme dar (DE-OS 25 22 338).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einem Laserresonator dieser Art ist er wesentlich, daß sich die Strahlungsfelder unterschiedlicher Wellenlänge
möglichst im gesamten Volumen des aktiven Mediums gleichmäßig überdecken, da auf diese Weise
die maximale Wechselwirkung der Moleküle des aktiven Mediums sowohl mit der Pumpstrahlung als
auch mit der erwünschten Laserstrahlung erreicht wird.
Die sich im Resonator ausbildende Modenstruktur, also die Verteilung der Strahlung im Resonatorvolumen,
ist bei gegebener Resonatorgeometrie eine Funktion der Wellenlänge. Reflektiert man also Strahlungen
verschiedener Wellenlänge in herkömmlicher Weise an einer einzigen Spiegelfläche, so müssen sich im
Resonator zwei unterschiedliche Modenstrukturen entwickeln, die sich jedoch dann nur teilweise
überlappen und keinen optimaler. Betrieb erlauben. So läßt sich beispielsweise errechnen, daß im TEMoo-Mode
die Überlappung von Strahlungsfeldern mit Wellenlängen von ΙΟ,δ μηι bzw. 14 μπι nur etwa 75% beträgt d. h.
fast 25% des möglichen Laserstrahlungsquerschnitts wird unzureichend optisch gepumpt und der Wirkungsgrad
einer solchen Anordnung ist also deutlich herabgesetzt
Verwendet man jedoch gemäß der Lehre der Ansprüche 1 oder 2 zwei getrennte Spiegelflächen auf
der Vorder- und Rückseite eines Spiegelelementes bzw. auf der Vorderseite von zwei getrennten Spiegelele
menten, so lassen sich die Krümmungsradien derart wählen, daß trotz verschiedener Wellenlänge die
Modenstrukturen beider Strahlungen gleich werden, daß man also eine praktisch vollständige Überlappung
der beiden Strahlungsfelder erreicht
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es also möglich, die Strahlungsübergänge getrennt zu optimieren.
Man kann damit beispielsweise in einem der Laserübergänge ein möglichst hohes Strahlungsfeld
erzeugen, und mit diesem den anderen Laserübergang optisch pumpen. Ohne diese Optimierungsmöglichkeit
ginge der Anteil, welcher vom Pumpstrahlungsfeld aus der Resonatoranordnung ausgekoppelt wird, bei dem
Pumpprozeß verloren. Dieser Verlust würde sich in einer geringeren Ausgangsleistung im gewünschten
Laserübergang niederschlagen.
Mit diesem Verfahren ist es beispielsweise möglich, bei der Verwendung des oben beschriebenen Lasersystems
Laserübergänge bei einer Wellenlänge von 16 μιη
zu erzeugen, die für die Trennung der Uranisotope 235U
und 238U von großer Bedeutung sind, wenn diese Isotope
in Form der Verbindung UF6 vorliegen (Laserfocus, Vol. 14,1978, Nr. 4, S. 36V
Um den Laser genau auf einen geeigneten Rotations-Vibrationsübergang
des UF6-Moleküls im 16-μηι-Βε-reich
abzustimmen, damit die isotopenselektive Anregung mit genügend hoher Effizienz erfolgt, ist es
günstig, z. B. mit Hilfe eines Beugungsgitiers im Resonator die optimal geeignete Laserlinie bevorzugt
anschwingen zu lassen.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, einen entsprechenden Übergang in einer der Sequenzbanden
(Rev. Sei. Instr. Vol. 48, 1977, Nr. 8, S. 1031 - 1033 unter
Zuhilfenahme des dort beschriebenen Verfahrens anzuwenden. Die Vibrations-Rotations-Linien sind bei
den Sequenzbanden geringfügig gegenüber jenen der Grundbande verschoben, so daß eine bessere Koinzidenz
mit dem der UFe-Übergänge möglich erscheint.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Laseranordnung
und
F i g. 2 eine Ansicht ähnlich F i g. 1 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Laseranordnung.
Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem total-reflektierenden Spiegel 1 und einem
Spiegelelement 2, zwischen denen sich ein laseraktives Medium 3 befindet, das beispielsweise (XVGas sein
kann. Das Spiegelelement 2 besteht aus einem Substrat 4, welches vorzugsweise aus CdTe besteht, das sowohl
auf seiner Vorderseite als auch auf seiner Rückseite je eine dielektrische Beschichtung 6 bzw. 7 trägt. Die
Reflexionseigenschaften dieser Beschichtungen sind derart gewählt, daß jede Beschichtung für eine der
beiden Strahlungen durchlässig ist, während sie für die andere Strahlung die für den Laserbetrieb optimalen
Reflexionseigenschaften aufweist. Wenn die Beschichtungen für eine der beiden Strahlungen nicht vollständig
durchlässig sind, dann ist es vorteilhaft, wenn die andere Schicht diese nur teilweise durchgelassene Strahlung
nur so stark reflektiert, daß die Reflexion an beiden Beschichtungen zusammengenommen die für den
Laserbetrieb optimale Reflexion ergibt. Damit bei diesem Ausführungsbeispiel die Resonatorachsen annähernd
übereinstimmen, d.h. damit der Resonator justierbar wird, müssen die Vorder- und die Rückfläche
des teilweise durchlässigen Spiegelelements 2 sehr genau parallel liegen.
Der Pumpübergang für den 14-μπν Laserübergang
liegt bei ΙΟ,βμίπ und jener für der. 16^m-Laserübergang
bei 9,4 μπι. Durch entsprechende Optimierung der jeweiligen Reflexionseigenschaften der dielektrischen
Beschichtung lassen sich die Wellenlänge der Pumpstrahlung und damit auch die Wellenlänge der
gewünschten Laserstrahlung auswählen. Im übrigen ist zur Selektion einer der beiden Pumpstrahlungen
zusätzlich möglich, die jeweils andere Pumpstrahlung im Resonator durch Einbringen eines geeigneten Absorbers
zu absorbieren.
Die Beschichtungen selbst können gegebenenfalls aus mehreren dielektrischen Schichten aufgebaut sein, das
Substrat kann entweder ganz oder teilweise, auch in geeignet gestalteten geometrischen Mustern, mit der
dielektrischen Beschichtung bedeckt sein.
Eine weitere in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform umfaßt neben dem total-reflektierenden Spiegel 1 ein
erstes Spiegelelement 12 sowie ein davon getrenntes zweites Spiegelelement 16, die beide aus einem Substrat
14 bzw. 18 bestehen, das auf seiner dem total-reflektierenden Spiegel 1 zugewandten Seite eine dielektrische
Beschichtung 13 bzw. 17 und auf seiner gegenüberliegenden Seite eine Antireflexionsschicht 15 bzw. 19 trägt.
Das aktive Medium 3 ist zwischen dem total-reflektierenden Spiegel 1 und dem ersten Spiegelelement 12
angeordnet
Bei einer ersten Ausführungsform ist die Beschichtung 13 für eine der beiden Strahlungen vollkommen
durchlässig, während sie für die andere Strahlung eine optimale Reflexion aufweist. Demgegenüber zeigt die
dielektrische Beschichtung 17 für die von der Schicht 13 durchgelassene Strahlung optimale Reflexion.
Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel, bei dem die Beschichtungen 13 und 17 nicht für eine der
Strahlungen vollkommen durchlässig sind, können die Reflexionseigenschaften der Schichten so aufeinander
abgestimmt werden, daß sich durch die Reflexion einer Strahlung an den Schichten 13 und 17 insgesamt die
optimale Reflexion ergibt.
Die Antireflexionsschichten 15 und 19 auf der Rückseite der Spiegelelemente 12 und 16 dienen der
Vermeidung von Reflexionsverlusten. Dabei läßt die Antireflexionsschicht 15 die von der dielektrischen
Beschichtung 13 durchgelassene Strahlung im wesentlichen reflexionsfrei aus dem Spiegelelement 12 austreten,
die Antireflexionsschicht 19 die von der dielektrischen Beschichtung 17 durchgelassene Strahlung.
Von besonderer Bedeutung sind die Antireflexionsschichten, wenn die Fläche auf der Rückseite des
Spiegelelements, auf die sie aufgebracht sind, um einen kleinen Keilwinkel gegen die Fläche auf der Vorderseite
des Spiegelelements geneigt ist, was bei Laserspiegeln üblicherweise der Fall ist. Ohne die Antireflexionsschicht
tritt infolge des Keilwinkels ein Streuverlust auf, welcher nur durch eine erhebliche Verringerung des
Keilwinkels beseitigt werden könnte.
Daneben ist zu berücksichtigen, daß entweder alle drei Laserspiegel mit einer Justiervorrichtung ausgestattet
sein müssen, oder aber, wenn der Spiegel 12 in einer vorjustierten Einrichtung untergebracht ist, nur
die Spiegel 1 und 16 justierbar zu sein brauchen.
Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Anordnung erlaubt darüber hinaus je nach den Eigenschaften des
laseraktiven Mediums die Wahl, ob die Pumpstrahlung von den Beschichtungen 6 bzw. 13 und die erwünschte
Laserstrahlung von den Beschichtungen 7 bzw. 15 reflektiert werden oder ob die Reflexion umgekehrt
erfolgt. So wird man z. B. bei hoher Strahlungsintensität im Pumpübergang und ausreichender Verstärkung im
gewünschten Laserübergang die zuerst beschriebene Anordnung wählen. Dadurch wird erreicht, daß nur die
dielektrischen Beschichtungen 6 bzw. 13 mit der hohen Strahlungsleistung beaufschlagt werden, nicht jedoch
jene, welche für den anderen Übergang optimiert sind.
Bei geringer Verstärkung im gewünschten Laserübergang jedoch wird man umgekehrt verfahren, d.h. die
dielektrischen Beschichtungen 6 bzw. 13 werden für diesen Übergang optimiert. Dann ist dieser Übergang
im Resonator frei von weiteren, verlustbehafteten optischen Elementen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahiungsfeldern verschiedener Wellenlänge mit
einem beide Strahlungsfelder erzeugenden, aktiven Medium (3), welches sich in einer Resonatoranordnung
befindet, die mindestens einen total reflektierenden Spiegel (1) und eine Strahlung beider
Wellenlängen reflektierende, einen Teil der im Resonator erzeugten Strahlung durchlassende Reflexionsanordnung
aufweist, die mindestens ein Spiegelelement (2) mit einer dielektrischen Beschichtung
umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Reflexionsanordnung ein einziges Spiegelelement (2) mit einer dielektrischen Eeschichtung
(6) auf der dem aktiven Medium (3) zugewandten Seite und einer weiteren dielektrischen
Beschichtung (7) auf der dieser gegenüberliegenden Seite aufweist und
b) jede der beiden dielektrischen Beschichtungen (6, 7) für eine der beiden Strahlungen weitgehend
durchlässig ist und für die andere so stark reflektierend, daß sich zusammen mit der
Reflexion der anderen dielektrischen Beschichtung (7, 6) für diese Strahlung die optimale
Reflexion ergibt
2. Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge mit
einem beide Strahlungsfelder erzeugenden, aktiven Medium (3), welches sich in einer Resonatoranordnung
befindet, die mindestens einen total reflektierenden Spiegel (1) und eine Strahlung beider
Wellenlängen reflektierende, einen Teil der im Resonator erzeugten Strahlung durchlassende Reflexionsanordnung
aufweist, die mindestens ein Spiegelelement mit einer dielektrischen Beschichtung
umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Reflexionsanordnung zwei getrennte Spiegelelemente
(12,16) umfaßt, die jeweils an ihrer dem aktiven Medium (3) zugewandten Seite
eine dielektrische Beschichtung (13 bzw. 17) tragen und
b) jede der beiden dielektrischen Beschichtungen (13, 17) für eine der beiden Strahlungen
weitgehend durchlässig ist und für die andere so stark reflektierend, daß sich zusammen mit der
Reflexion der anderen dielektrischen Beschichtung (17, 13) für diese Strahlung die optimale
Reflexion ergibt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden dielektrischen Beschichtungen (6, 7; 13, 17) für
jeweils eine der beiden Strahlungen vollständig durchlässig ist und für die andere optimale
Reflexionseigenschaften zeigt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente (12, 16) auf der vom Resonator abgewandten Seite
eine Antireflexionsschicht (15 bzw. 19) für die Strahlung aufweisen, die von der Beschichtung (13
bzw. 17) des jeweiligen Spiegelelements (12 bzw. 16) durchgelassen wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4; 14,18)
der mit einer oder mehreren dielektrischen Beschichtungen (5,6, 7; 13,17) versehenen Spiegelele
mente (2; 12,16) CdTe ist
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der reflektierenden
Schichten eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 16 μΐη, die andere eine Strahlung mit einer
Wellenlänge von 9,4 μπι reflektiert
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß der Resonator für
einen oder beide Laserübergänge ein stabiler Resonator und/oder ein instabiler Resonator mit
Arbeitspunkt im ersten Quadranten des Stabilitätsdiagramms ist
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792900669 DE2900669C3 (de) | 1979-01-10 | 1979-01-10 | Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792900669 DE2900669C3 (de) | 1979-01-10 | 1979-01-10 | Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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DE2900669A1 DE2900669A1 (de) | 1980-07-24 |
DE2900669B2 true DE2900669B2 (de) | 1981-04-30 |
DE2900669C3 DE2900669C3 (de) | 1982-02-11 |
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ID=6060253
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19792900669 Expired DE2900669C3 (de) | 1979-01-10 | 1979-01-10 | Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2900669C3 (de) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3970960A (en) * | 1974-01-31 | 1976-07-20 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Broadly tunable continuous-wave laser using color centers |
DE2522338C3 (de) * | 1974-05-20 | 1979-11-29 | Hitachi, Ltd., Tokio | Vorrichtung zur Erzeugung von kohärentem licht |
-
1979
- 1979-01-10 DE DE19792900669 patent/DE2900669C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2900669C3 (de) | 1982-02-11 |
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