DE4002162C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen schmalbandig abstimmbaren Laser, insbesondere einen schmalbandig abstimmbaren Farbstofflaser, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Ein solcher Laser ist aus der US 48 64 578 bekannt. Dort handelt es sich allerdings um einen kontinuierlich arbeitenden Farb­ stofflaser, der eine Bandbreite von 1 MHz aufweist. Die vorlie­ gende Erfindung hingegen wird bevorzugt bei gepulsten Lasern eingesetzt mit einer Bandbreite von 1,2 GHz, also drei Größen­ ordungen höher.

Aus der DD 2 28 117 A1 ist eine Resonatoranordnung für einen durchstimmbaren Laser bekannt, bei der ein einziges reflektie­ rendes Bauteil so gestaltet ist, daß eine gute spektrale Filte­ rung bei hoher Wellenlängenselektivität und Schmalbandigkeit er­ reicht wird. Es erfolgt eine kontinuierliche Abstimmung der Wel­ lenlänge durch Druckvariation. Der Laserstrahl wird durch ein Prismensystem aufgeweitet.

Aus einem Aufsatz von R. König, S. Mory und A. Rosenfeld in der Zeitschrift J. Phys. E.: Sci. Instrum. 20 (1987), S. 200-203 ist ein gepulster Farbstofflaser bekannt, bei dem der Strahl im Resonator mittels Prismen aufgeweitet wird und die Wellenlänge durch Drehung eines Gitters und/oder eines FP-Etalon abgestimmt wird.

Auch aus dem Aufsatz von OLCAY, M.R. et al.: Tuning of a narrow linewidth pulsed dye laser with a Fabry-Perot and diffraction grating over a large wavelength range. In: Applied Optics, Vol. 24, 1985, No. 19, S. 3146-3150 ist ein gepulster Farbstoff­ laser bekannt, der mittels eines FP-Etalon und eines Gitters über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

Aus der DE 37 44 323 A1 ist ein Laser bekannt, bei dem zum Stabilisieren der Frequenz des Laserstrahls ein Teil desselben in ein Fabry-Perot- Interferometer eingegeben wird, um ein Stell­ signal zum Einstellen eines wellenlängenselektiven Elementes abzuleiten. Das Ringsystem des Fabry-Perot-Interferometers wird auf einen Festkörper-Strahlungswandler abgebildet, um es mit einem gespeicherten Bezugssignal zu vergleichen und daraus ein Stellsignal für das wellenlängenselektive Element des Lasers zu gewinnen.

Der vorliegenden Erfindung liegt ein anderes Problem als die Stabilisierung der Frequenz eines Laserstrahls zugrunde.

Zum Einengen der Bandbreite eines gepulsten Lasers, wie insbe­ sondere eines Farbstofflasers, ist es bekannt, zusätzlich zum Abstimmgitter des Lasers ein Etalon im Laser-Resonator anzu­ ordnen. Aufgrund seiner selektiven Transmissionseigenschaften engt das Etalon die Bandbreite des Laserstrahles erheblich ein. Beim Abstimmen eines solchen Lasers ist es erforderlich, das Gitter und das Etalon miteinander zu synchronisieren. Diese beiden wellenlängenselektiven Elemente (Etalon und Gitter) müssen so relativ zueinander positioniert werden, daß die Transmission des Etalons der durch das Gitter vorgegebenen Wellenlänge entspricht. Statt eines Etalons sind auch andere wellenlängenselektive Elemente bekannt, wie Fabry-Perot-Inter­ ferometer, doppelbrechende Kristalle etc.

Bei Verwendung eines Etalons erfolgt die Synchronisierung mit dem Gitter durch ein geringfügiges Kippen des Etalons zur Laserstrahlachse.

Wird nun die Wellenlänge des Lasers abgestimmt (verändert), müssen sowohl das Gitter als auch das im Resonator angeordnete Etalon (sogenanntes Intra-Cavity-Etalon) synchron zueinander verkippt werden. Mit den bei einer solchen synchronen Einstel­ lung von wellenlängenselektiven Elementen (z. B. Gitter und Etalon) auftretenden Problemen beschäftigt sich die vorliegende Erfindung.

Aufgrund der beim synchronen Bewegen des Gitters und des Eta­ lons auftretenden sogenannten "Walk-off"-Verluste, die vom Etalon im Resonator verursacht sind, ist ein kontinuierliches Abstimmen der Laserwellenlänge beim Stand der Technik jedoch nur über einen sehr kleinen Bereich von ca. 1 nm möglich. Überdies führen kleinste Abweichungen von der Linearität des Gitter- und Etalonantriebs zu einer Desynchronisierung, so daß der Laser im Extremfall auf zwei benachbarten Transmissions­ stellen des Etalons gleichzeitig anschwingt.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, einen schmalbandig abstimm­ baren Laser zu schaffen, der eine genaue Abstimmung ohne Leistungsverluste über einen relativ großen Wellenlängenbereich ermöglicht.

Der diese Aufgabe erfindungsgemäß lösende Laser ist im Patent­ anspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung ermöglicht so die Feststellung einer Desynchro­ nisierung der beiden wellenlängenselektiven Elemente (z. B. Gitter und Etalon), um daraus ein Regelsignal zum Einstellen von zumindest einem der beiden Elemente zu gewinnen und in dessen Antrieb zurückzukoppeln, so daß ein synchrones Abstimmen der Laserwellenlänge gewährleistet ist.

Außerdem ermöglicht es die Erfindung, einzelne Abstimmbereiche des Lasers, insbesondere des Farbstofflasers, in einfacher Weise aneinanderzureihen, so daß ein automatisches Abstimmen der Laserwellenlänge mit dem Etalon über den gesamten Wellen­ längenbereich eines Farbstoffes (z. B. 30 nm) ermöglicht ist.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß eine De­ synchronisierung von Gitter und Etalon nicht nur zu einer Verringerung der Lichtintensität im Laserstrahl führt, sondern auch zu einer, wenn auch geringfügigen, Änderung der Lage des Laserstrahls im Laser-Resonator. Eine solche Lage- und/oder Richtungsänderung des Strahls läßt sich mit Hilfe eines geeig­ net ausgekoppelten Referenzstrahls feststellen und hieraus kann ein Regelsignal für die Synchronisierung der beiden wellenlän­ genselektiven Elemente abgeleitet werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen gepulsten Farbstofflaser mit Oszil­ lator und Vorverstärker einschließlich eines Rechners und einer gesonderten Steuerung für den Farbstoff­ laser;

Fig. 2 erfindungswesentliche Einzelheiten des Farbstofflasers gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gesteuerten Farbstofflasers.

Fig. 1 zeigt einen gepulsten, durch einen Excimerlaser gepump­ ten Farbstofflaser, dessen Resonator durch ein Gitter 10 und einen Endspiegel 12 gebildet ist. Im Resonator ist eine Farb­ stoff-Küvette 14 angeordnet, in der ein Farbstoff enthalten ist, in welchem eine Besetzungsinversion durch Pumpen, hier mittels eines Excimerlasers, erzeugt wird.

Der Laser weist weiterhin einen sogenannten Strahlaufweiter 16 auf, der im Strahlengang des Resonators angeordnet ist und zum Aufweiten des Laserstrahls dient, wodurch das Auflösungsvermö­ gen des Gitters 10 in bekannter Weise verbessert werden kann.

Weiterhin ist im Resonator in als solches bekannter Weise ein Etalon 18 zur Einengung der Bandbreite des Laserstrahls ange­ ordnet.

Zum Abstimmen, d. h. zur Änderung der Wellenlänge des Lasers, wird das Gitter 10 mittels einer mechanischen Steuerung (nicht gezeigt) in bekannter Weise geschwenkt. Durch Änderung des Winkels zwischen dem Laserstrahl und dem Gitter wird die Wel­ lenlänge der reflektierten Strahlung eingestellt. Das Etalon 18 muß dabei synchron mit dem Gitter 10 gekippt werden.

Fig. 2 zeigt hierfür wesentliche Einzelheiten des Farbstoff­ lasers gemäß Fig. 1. In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Strahlaufweiter 16 besteht aus den Prismen P1, P2, P3, P4 und P5. Ein vom Endspiegel 12 reflektierter Laserstrahl wird vom Prisma P1 in Richtung auf das Prisma P2 gebrochen und ist nach Verlassen des Prismas P5 gemäß den Fig. 1 und 2 erheb­ lich aufgeweitet.

Neben dem durch die Prismen P1 bis P5 laufenden Laserstrahl zeigen die Fig. 1 und 2 noch einen an der Fläche F1 des Prismas P1 (Fig. 2) in Richtung auf das Gitter 10 reflektierten Strahl 20′, der am Gitter 10 reflektiert wird, von dort auf anderem Wege als der zwischen dem Gitter 10 und dem Endspiegel 12 oszillierende Resonatorstrahl durch die Farbstoff-Küvette 14 hindurchtritt und als Laserstrahl 20 aus dem Resonator ausge­ koppelt wird. Die Auskopplung des Strahls 20 aus dem Resonator entspricht der DE-PS 29 18 863. An der Stelle, an welcher der Strahl 20 durch die Farbstoff-Küvette 14 tritt, wird eine zusätzliche Strahlverstärkung in der Küvette bewirkt. Hierzu werden die Farbstoff-Moleküle in der Küvette auch an derjenigen Stelle gepumpt, an welcher der Strahl 20 die Küvette passiert.

Zum Synchronisieren des Etalons 18 in bezug auf das Gitter 10 wird gemäß den Fig. 1 und 2 (s. insbesondere Fig. 2) eine planparallele Platte P im Resonator-Strahlengang zwischen den Prismen P1 und P2 angeordnet. An der planparallelen Platte P wird ein Teil des vom Gitter 10 durch das Etalon 18 reflek­ tierten Oszillatorstrahls ausgekoppelt. Der so ausgekoppelte Teilstrahl 25 (Fig. 2) durchläuft zunächst ein Prisma P6, um die durch das Prisma P1 erzeugte Aufweitung und Dispersion zu kompensieren. Der Teilstrahl 25 wird dann an der verspiegelten Basisfläche F₂ eines Prismas P7 umgelenkt und als Referenz­ strahl 24 auf einen Festkörper-Strahlungswandler 22, wie bei­ spielsweise eine Doppel-Fotodiode oder ein sogenanntes Dioden­ array gerichtet. Der so aus dem Resonator ausgekoppelte Refe­ renzstrahl 24 wird nicht durch Laserlicht gestört, das von der Vor- und Endverstärkerstufe des Farbstofflasers in den Resona­ tor zurückgestreut wird. Mit 26 ist ein hier nicht weiter inte­ ressierender Teilstrahl bezeichnet.

Werden nun zum Abstimmen der Wellenlänge des Lasers das Gitter 10 und das Etalon 18 verstellt, so bewirkt eine Desynchronisie­ rung von Gitter und Etalon eine Verschiebung der Lage des Refe­ renzstrahls 24 in bezug auf den Festkörper-Strahlungswandler 22, die dort unmittelbar festgestellt werden kann. Ein entspre­ chendes elektrisches Signal wird vom Festkörper-Strahlungs­ wandler 22 über eine Leitung 28 zu einem Analog-Digital-Wandler 30 übertragen und in einen Rechner PC zur weiteren Verarbeitung eingegeben. Entsprechend der Verlagerung des Ortes des Refe­ renzstrahles 24 in bezug auf eine Soll-Position errechnet der Rechner PC ein Steuersignal, mit dem dann der Kippwinkel des Gitters 10 oder des Etalons 18 so eingestellt wird, daß der Re­ ferenzstrahl 24 wieder seine Soll-Stellung erreicht. Die Abwei­ chung der Richtung des Referenzstrahles 24 in bezug auf seine Soll-Stellung kann mittels des Festkörper-Strahlungswandlers 22 festgestellt werden und liefert sowohl eine Information über die Richtung der Desynchronisierung (Phase) als auch eine In­ formation über den Betrag der Desynchronisierung, was der Rechner PC auswertet.

Über eine IEEE-Schnittstelle wird ein vom Rechner PC errechne­ tes Regelsignal zum Einstellen des Kippwinkels des Etalons 18 zur eigentlichen Steuerung 32 für das Gitter und das Etalon übertragen. Solche mechanischen Steuerungen sind als solches bekannt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des in den Fig. 1 und 2 ge­ zeigten Ausführungsbeispiels einer Lasersteuerung, wobei kein gesonderter Rechner PC vorgesehen ist, sondern das auf der Leitung 28 vom Festkörper-Strahlungswandler 22 kommende Meß­ signal (welches ein Maß für die Desynchronisierung ist) direkt über einen A/D-Wandler 30 in die integrierte Lasersteuerung 32 eingegeben wird. Über eine Leitung 34 wird dann das Steuersig­ nal zum Synchronisieren des Etalons 18 und des Gitters 10 direkt eingegeben.

Claims (1)

1. Schmalbandig abstimmbarer Laser, insbesondere ein schmalbandig abstimmbarer Farbstofflaser, mit

   • - einer Einrichtung (P, P6; P7) zum Auskoppeln eines Referenz­ strahles (24) aus dem Laser-Resonator (10, 12),
   • - zumindest zwei wellenlängenselektiven Elementen (10, 18) zur schmalbandigen Abstimmung des Lasers,
   • - einem Festkörper-Strahlungswandler (22), auf den der Refe­ renzstrahl (24) trifft, um dessen Änderungen zu messen und ein Steuerungssignal zur Steuerung der Winkelorientierung zumin­ dest eines wellenlängenselektiven Elementes (10, 18) des Lasers abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß
   • - der Referenzstrahl (24) zum Synchronisieren von zumindest zwei wellenlängenselektiven Elementen (10, 18) dient, wobei eine Verlagerung des Auftreffortes des Referenzstrahles (24) auf den Festkörper-Strahlungwandler (22) ermittelt wird, um daraus das Steuersignal abzuleiten.