DE4311454C2 - Raman-Laser und dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Raman-Laser, der insbesondere zur Erzeugung von augensicherer Laserstrahlung geeignet ist.

Aus der DE 91 13 379 U1 ist ein Raman-Laser mit Pumplaser und externem Raman-Halbresonator bekannt, bei dem zur Wegangleichung der fokussierten Strahlung des Pumplasers
und der zurückgestreuten, ramanverschobenen Strahlung eine Konvex/Konkavlinse als Fokussiereinheit vorgesehen ist. Zur Resonatorkonfiguration des Pumplasers ist nichts ausgesagt.

Aus der DE 41 11 835 A1 ist ein Intracavity-Raman-Laser mit instabilem Pumplaserresonator bekannt, bei dem die Pumpstrahlung und die Ramanstrahlung auf der Seite des ramanaktiven Mediums immer den identischen geschlossenen Weg nehmen.

Ein weiterer Raman-Laser mit externem Raman-Halbresonator, bei dem die Strahlungsverläufe ebenfalls selbstjustierend angepaßt, sind, ist aus der EP 0 199 793 B1 bekannt.

In diesen Schriften ist zur Modencharakteristik des Pumplasers nichts ausgesagt.

In der Veröffentlichung "An Unstable Resonator Nd : YAG- Laser, D.C. Hannah, L.C. Laycock, Optical and Quantum Electronics 11 (1979), pp. 153-160" wird ein instabiler Resonator für einen gütegeschalteten Nd : YAG-Laser vorgestellt und eine Reihe von Anwendungen für einen derartigen Resonator, u. a. die Erzeugung induzierter Raman- Strahlung, vorgeschlagen. Zur Realisierung einer instabilen Resonatorgeometrie werden jeweils Auskoppelspiegel verwendet, die ein kreisringförmiges Reflexionsprofil aufweisen. Daraus resultiert im Nahfeld des Pumplasers ebenfalls ein kreisringförmiges Strahlprofil. Ein derartiges Strahlprofil wirkt sich ungünstig auf die Strahlqualität des Pumplaser-Strahles bzw. dessen Fokussierbarkeit in die Ramanzelle aus. Will man eine kompakte Raman-Laser-Anordnung mit einer hohen Leistung der induzierten Raman-Strahlung realisieren, so sind die beschriebenen Pumplaser-Resonatoren demzufolge mit Nachteilen hinsichtlich der resultierenden Strahlqualität der induzierten Raman-Strahlung behaftet. Mit den beschriebenen Pumplaser-Resonator-Konfigurationen ist lediglich eine Strahlqualitätskenngröße M² für den Pumplaser-Strahl realisierbar, die ca. 3-6mal schlechter ist als die Strahlqualitätskenngröße eines stabilen Resonators im Monomode-, d. h. TEM₀₀-Betrieb, wie etwa auch im Lehrbuch "Optische Resonatoren, N.Hodgson, H.Weber, Springer-Verlag, 1992" auf Seite 179 ausgeführt ist.

Aus der Veröffentlichung "The Stimulated Raman Scattering Threshold for a Nondiffraction-Limited Pump Beam, J.C. van den Heuvel et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28, No. 9, pp. 1930-1936" ist ebenfalls bekannt, daß die Strahlqualität des Pumplasers in einem Ramanlaser Auswirkungen auf die in der Raman-Zelle stattfindenden Streuprozesse und demzufolge auf die induzierte Raman- Strahlung hat. Insbesondere ist eine Abhängigkeit der Schwellen-Pumpleistung der Ramanzelle von der Laserstrahl- Kenngröße M² des Pumplasers zu beobachten. Diese Abhängigkeit wurde in dieser Arbeit durch eine Variation der Strahlqualitätskenngröße M² mittels einer Modenblende im Pumplaser-Resonator überprüft. Die beschriebene Modifikation der Strahlqualitätskenngröße M² stellt jedoch lediglich für einen experimentellen Labor-Aufbau eine annehmbare Lösung dar. Für leistungsstärkere Raman-Laser ist dies keine energetisch günstige Lösung, da die nötige Pumpenergie für die gewünschte Ausgangsleistung bei der erforderlichen Strahlqualität zu groß wäre.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Raman-Laser zu schaffen, der kompakt aufgebaut ist und insbesondere einen Pumplaser-Resonator aufweist, der eine gute Strahlqualität des Pumplaserstrahles bei einem günstigen Wirkungsgrad des Pumplasers liefert. Ferner soll eine gute Fokussierbarkeit des Pumplaserstrahles- sowie eine hohe Umwandlungseffizienz in der Ramanzelle gewährleistet sein. Der Raman-Laser soll vorzugsweise augensichere Laserstrahlung für den Einsatz in der Entfernungsmeßtechnik liefern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Raman-Laser mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Im Vergleich zu konventionellen instabilen Resonator- Geometrien ist bereits im Nahfeld ein glattes und kompaktes Strahlprofil ohne größere Nebenmaxima realisiert, d. h. nahezu Betrieb im TEM₀₀-Mode bei der Strahlqualitäts­ kenngröße M² des Pumplaser-Strahles in der Größenordnung 1-1,3.

Eine erhöhte Gesamteffizienz des erfindungsgemäßen Raman­ lasers ist des weiteren gewährleistet, da der Pumplaser­ strahl und die am Ramanreflektor rückreflektierte Raman­ strahlung in einen gemeinsamen Brennpunkt fokussiert werden, d. h. primärer und sekundärer Raman-Fokus fallen zusammen.

Vorteilhaft ist der instabile Pumplaser-Resonator mit einem Auskoppelspiegel mit radial abhängigem, stetig verlaufendem Reflektivitätsprofil ausgestattet. Insbesondere die gute Strahlqualität und die daraus resultierende gute Fokussierbarkeit wirken sich günstig auf die Qualität der induzierten Raman-Strahlung aus.

Im Vergleich zu stabilen Pumplaser-Resonator-Geometrien ist des weiteren ein Monomode-Betrieb bei gleichzeitig hoher Pumplaser-Effizienz möglich, da keine zusätzliche transver­ sale Modenselektion durch Modenblenden mehr erforderlich ist.

In Nah- und Fernfeld des erfindungsgemäßen Raman-Lasers ist insgesamt ein verbessertes Strahlprofil gegenüber üblichen stabilen Pumplaser-Resonatorgeometrien zu beobachten. Dies zeigt sich in der entsprechenden Strahlqualitätskenngröße der induzierten Raman-Strahlung, die etwa um einen Faktor 2 kleiner ist als die Strahlqualitätskenngröße der indu­ zierten Ramanstrahlung bei der Verwendung stabiler Pumplaser-Resonatorgeometrien, die im Multimode-Betrieb arbeiten.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Raman-Lasers ermöglicht zudem eine extrem kleine Anordnung, da bereits bei relativ kurzer Resonatorlänge die gewünschte transversale Modenselektion erfolgt. Damit ist ein kompakter Geräte- Aufbau, beispielsweise zur Verwendung in einem elektro­ optischen Entfernungsmeßgerät gemäß Anspruch 15 möglich. Dessen Sende-Optik kann aufgrund der geringen Divergenz der induzierten Ramanstrahlung bei gleichzeitiger hoher Sendeleistung zudem bedeutend weniger aufwendig dimensioniert werden als etwa bei einem stabilen Pumplaser- Resonator.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Raman-Lasers ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung der einzelnen Elemente im erfindungsgemäßen Raman-Laser;

Fig. 2 bis 4 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Raman-Lasers;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für den Verlauf des radial abhängigen, stetigen Reflexions­ profiles auf dem Auskoppelspiegel des instabilen Pumplaser-Resonators.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Anordnung der einzelnen Elemente im erfindungsgemäßen Raman-Laser dargestellt. Der Pumplaser mit instabiler Resonator-Geometrie umfaßt u. a. einen Festkörper-Stab (1) als Lasermedium sowie einen für die Pumplaser-Wellenlänge hochreflektierenden Endspiegel (2) und einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel (3) mit einem stetig verlaufenden radial abhängigen Reflexions­ profil R(r). Der Festkörper-Stab (1) wird in bekannter Art und Weise optisch angeregt. Die über den Auskoppelspiegel (3) den Pumplaser verlassende Laserstrahlung (8) wird mit Hilfe eines Kollimationselementes (4) kollimiert und über das als Fokussierelement (6) ausgebildete Eintrittsfenster der Ramanzelle (5) in den in der Ramanzelle (5) liegenden Brennpunkt (9) fokussiert, der im folgenden als primärer Raman-Fokus bezeichnet wird. In der Ramanzelle (5) wird die Pumplaser-Wellenlänge aufgrund der erfolgenden Streu­ prozesse im Ramanmedium um einen definierten Wellenlängen­ betrag verschoben. Die Ramanzelle (5) liefert bei entspre­ chender Wahl der Pumplaser-Wellenlänge induzierte Raman­ strahlung in einem augensicheren Wellenlängenbereich. Die Ramanzelle (5) ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem geeigneten Material, z. B. Methan, unter einem defi­ nierten Druck gefüllt und beidseitig mit Linsen (6, 7) als Ein- und Austrittsfenster abgeschlossen. Die Brennweiten der beiden Linsen (6, 7) sind vorzugsweise so abzustimmen, daß ein paralleler, induzierter Laserstrahl die Ramanzelle (5) verläßt.

Um auch die in Richtung des Kollimationselementes (4) rückgestreute Ramanstrahlung (10) zu nutzen und somit eine Effizienzerhöhung des erfindungsgemäßen Raman-Lasers zu er­ reichen, ist die der Ramanzelle (5) zugewandte Seite des Kollimationselementes (4) als Ramanreflektor (11) ausge­ bildet, d. h. für die Raman-Wellenlänge hochreflektierend beschichtet. Die am Ramanreflektor (11) in Richtung Raman­ zelle (5) rückreflektierte Raman-Strahlung wird in den sekundären Raman-Fokus fokussiert, der im Ausführungsbei­ spiel der Fig. 1 mit dem primären Raman-Fokus (9) zusammenfällt.

Der instabile Pumplaser-Resonator ist nunmehr so dimensio­ niert, daß er nahezu im TEM₀₀-Mode arbeitet, bzw. eine Strahlqualitätskenngröße M² zwischen 1 und 1,3 aufweist. Dies wird u. a. durch die Verwendung eines stetig ver­ laufenden, radial abhängigen Reflexionsprofiles R(r) des Auskoppelspiegels (3) erreicht. Die Strahlqualitäts­ kenngröße M² des Pumplaser-Strahles ist dabei definiert als auf den TEM₀₀-Fall normiertes Produkt aus Strahltaille x₀ und Fernfeld-Divergenz Θ:

M²:= (<x₀²<<Θ²</<x₀₀²<<Θ₀²<)^0,5< = 1

Eine Definition dieser dimensionslosen Größe ist z. B. in der Veröffentlichung "Some Historical and Technical Aspects of Beam Quality, H.Weber, Optical and Quantum Electronics 24 (1992), pp. 861-864" zu finden.

M² läßt gemäß der Veröffentlichung "Laser Beam Width, Divergence and Beam Propagation Factor - An International Standardization Approach, D.Wright et al., Optical and Quantum Electronics 24 (1992), pp. 99300" der ISO (International Standardization Organisation) über einen experimentellen Aufbau ermitteln durch

M² = (π _* D_{L *} D_F)/(4 _* λ _* F),

wobei
D_L: Strahldurchmesser vor einer Fokussierlinse,
D_F: Strahldurchmesser in Brennebene der Fokussierlinse,
λ: Wellenlänge,

F: Brennweite der Fokussierlinse.

Die Strahlqualitätskenngröße M² kann als invariante Größe verstanden werden, die den Laserstrahl charakterisiert. M² = 1 bedeutet dabei Betrieb im TEM₀₀-Mode, M² < 1 ist anschaulich als Multimode-Betrieb oder Betrieb in einem höheren Transversalmode zu verstehen.

Die resultierende Strahlqualität, d. h. das näherungsweise gaußförmige Intensitätsprofil über den Strahlquerschnitt, bewirkt eine gute Fokussierbarkeit in die Ramanzelle (5) sowie eine entsprechend gute Strahlqualität der induzierten Ramanstrahlung.

In der Anordnung nach Fig. 1 ist bei einer entsprechenden Strahlqualität des Pumplasers nun nicht von vornherein gewähleistet, daß primärer und sekundärer Raman-Fokus in der Ramanzelle zusammenfallen. So kann aufgrund eines Selbstfokussierungs-Effektes eine Verschiebung des primären Raman-Fokus (9) auf der optischen Achse in Richtung des Eintrittsfensters erfolgen. Diese Verschiebung kann je nach Qualität des Pumplaser-Strahles in der Größenordnung einiger mm liegen. Das Eintrittsfenster ist jedoch darauf ausgelegt, die rückreflektierte Raman-Strahlung in den ursprünglichen Brennpunkt zu fokussieren. Soll deshalb eine möglichst effiziente Nutzung der induzierten Raman- Strahlung erreicht werden, so ist es vorteilhaft, wenn gewährleistet ist, daß primärer und sekundärer Raman-Fokus auf jeden Fall in einem Punkt liegen bzw. zusammenfallen. Entsprechende Ausführungsformen für derartig modifizierte Anordnungen des erfindungsgemäßen Raman-Lasers, die die Einhaltung dieser Forderung gewährleisten, werden anhand der Ausführungsbeispiele in den Fig. 2-4 erläutert.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Raman-Lasers dargestellt, in dem die letztgenannte Forderung erfüllt ist. Als Lasermaterial des Pumplasers dient ein Nd-dotierter YAG-Kristallstab (21), der eine Länge von ca. 5 cm und einen Durchmesser von etwa 4 mm aufweist und in bekannter Art und Weise optisch gepumpt wird. Der Auskoppelspiegel (23) ist unmittelbar auf der der Ramanzelle (25) zugewandten Seite des Nd : YAG-Kristallstabes (21) aufgebracht. Das Reflexionsprofil des Auskoppelspiegels (23) für die Pumplaser-Wellenlänge 1,064 µm weist einen stetigen, radial abhängigen Verlauf R(r) auf, wobei die Reflektivität R nach außen hin abnimmt. Im Ausführungsbeispiel wird ein super-gaußförmiger Verlauf des radial abhängigen Reflexionsprofiles mit einem Exponenten m = 2,8 bei einem Spiegel-Durchmesser von 2,6 mm gewählt; der explizite Verlauf des Reflexionsprofiles R(r) wird anhand von Fig. 4 noch näher erläutert. Als Material für die Reflexionsschicht dient Ta₂O₅, das aufgedampft wurde. Vorteilhafte Durchmesser für das Auskoppelspiegel- Reflexionsprofil liegen zwischen 2 mm und 3 mm.

Der Pumplaser-Endspiegel (22) besteht aus einer Plan- Konkavlinse, die hochreflektierend für die Pumplaser- Wellenlänge 1,064 µm verspiegelt ist. Der Krümmungsradius der konkaven Seite beträgt 4 m. Die Radien der konkaven Seite des Pumplaser-Endspiegels (22) liegen vorteilhafterweise im Bereich 2-4 m. Unmittelbar benachbart zur planen Seite des plan-konkaven Pumplaser-Endspiegels (22) ist eine sättigbare Absorberfolie (29) als passiver Güteschalter angeordnet. Die Absorberfolie (29) wird über eine Planplatte (28), die für die Pumplaser-Wellenlänge 1,064 µm durchlässig ist, gegen die plane Seite des Pumplaser-Endspiegels (22) gepreßt. Die verwendete sättigbare Absorberfolie (29), beispielsweise ein Q-Switch Acetate Sheet von Kodak, dient zum Realisieren kurzer Laserpulse von ca. 5 ns.

Krümmungsradien des Pumplaser-Endspiegels (22) im Bereich von 2-4 m, sowie die Dimensionierung des stetig verlaufenden Reflexionsprofiles auf dem Auskoppelspiegel (23) gemäß Fig. 4 bewirken innerhalb des erfindungsgemäßen Raman-Lasers eine gute Ausleuchtung des Lasermaterials, während gleichzeitig der Betrieb im Quasi-TEM₀₀-Mode bzw. eine Strahlqualitätskenngröße M² im Bereich 1-1,3 garantiert ist.

Der Pumplaser-Strahl (33) der Wellenlänge 1,64 µm weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine geringe Divergenz von etwa 4,5 mrad auf.

Der Pumplaser-Strahl (33) gelangt über ein erstes optisches Korrekturelement (24) auf das als Fokussierelement (26) mit sammelnder optischer Wirkung ausgebildete Eintrittsfenster der Ramanzelle (25). Das erste optische Korrekturelement (24), ausgeführt als Meniskuslinse, hat für den durchtretenden Pumplaser-Strahl (33) keine optische Wirkung. Das Fokussierelement (26) bewirkt die Fokussierung des Pumplaser-Strahles (33) in den primären Raman-Fokus (34) der Ramanzelle (25), der im dargestellten Ausführungsbeispiel aufgrund des vorher erwähnten Selbstfokussierungs-Effektes um einen definierten Betrag δ in Richtung Fokussierelement (26) verschoben ist. Die der Ramanzelle (25) zugewandte Seite des ersten optischen Korrekturelementes (24) ist des weiteren als Ramanreflektor (30) hochreflektierend für die induzierte Raman-Strahlung ausgelegt, d. h. hochreflektierend für die Wellenlänge 1,540 µm. Dies wird über eine geeignete Beschichtung des ersten optischen Korrekturelementes (24) erreicht. Die vom Ramanreflektor (30) rückreflekierte Raman-Strahlung (31) wird über das Fokussierelement (26) in den sekundären Raman-Fokus (34) in der Ramanzelle fokussiert. Um auf jeden Fall zu gewährleisten, daß primärer und sekundärer Raman- Fokus zusammenfallen, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die für die rückreflektierte Raman- Strahlung (31) optisch wirksame Fläche des ersten optischen Korrekturelementes (24) mit dem Ramanreflektor (30) so dimensioniert, daß die rückreflektierte Raman-Strahlung auf jeden Fall in den primären Raman-Fokus (34) fokussiert wird.

Hierbei ist die Dimensionierung des Ramanreflektors (30) bzw. des ersten optischen Korrekturelementes (24) auf die Verschiebung δ des primären Raman-Fokus (34) in Richtung Fokussierelement (26) auszulegen. Primärer und sekundärer Raman-Fokus (34) liegen im dargestellten Ausführungsbeispiel dann nicht mehr in der Mitte der Ramanzelle (25), sondern um den entsprechenden Betrag δ in Richtung Fokussierelement (26) verschoben. Für eine Verschiebung δ = 8 mm, ergibt sich ein Krümmungsradius von 473 mm für den Ramanreflektor (30), ebenso wie für die dem Pumplaserstrahl (33) zugewandte Fläche des optischen Korrekturelementes (24) bei einer Dicke d = 5 mm und der verwendeten Glassorte BK7. Für den Abstand zwischen dem ersten optischen Korrekturelement (24) und dem Eintrittsfenster (26) der Ramanzelle (25) wurden 10 mm gewählt.

Vor dem Austrittsfenster (27) der Ramanzelle (25) ist des weiteren ein zweites optisches Korrekturelement (32) mit zerstreuender optischer Wirkung angeordnet, das eine Kollimation der austretenden Raman-Strahlung bewirkt. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel wurde für das zweite optische Korrekturelement (32) eine Brennweite f = -530 mm gewählt, der Abstand zwischen dem Austrittsfenster (27) und dem zweiten optischen Korrekturelement (32) beträgt d = 10 mm. Die Position dieses optischen Elementes (32) ist dabei entlang der optischen Achse variabel, um damit eine möglichst exakte Kollimation der emittierten Raman- Strahlung zu ermöglichen.

Die im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendete Ramanzelle (25) weist eine Baulänge von 120 mm auf und enthält Methan unter einem Druck von ca. 80 bar. Abgeschlossen wird die Ramanzelle (25) durch zwei Linsen mit sammelnder optischer Wirkung als Ein- und Austrittsfenster (26, 27) mit den Brennweiten f = 62,4 mm. Die Brennweiten der beiden Linsen (26, 27) sind so gewählt, daß die Ramanzelle (25) für die Raman-Wellenlänge auf "Unendlich" abgestimmt ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Raman-Lasers ist in Fig. 3 dargestellt. Der Aufbau des instabilen Pumplaser-Resonators sowie der verwendeten Ramanzelle ist dabei identisch mit dem des Ausführungsbeispieles aus Fig. 2. Für die identischen Teile wurden dabei die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 2. Anders gelöst wird in diesem Ausführungsbeispiel jedoch das Einhalten der Forderung, daß primärer und sekundärer Raman-Fokus zusammenfallen sollen. In diesem Ausführungsbeispiel ist hierzu ein planer Ramanreflektor (45) als separates Element im Strahlengang zwischen einem optischen Korrekturelement (44) und dem Fokussierelement (26) angeordnet. Das optische Korrekturelement (44) korrigiert die erfolgende Verschiebung des primären Raman- Fokus (40) in der Ramanzelle (25) derart, daß der Pumplaserstrahl (41) exakt in die Mitte der Raman-Zelle (25) fokussiert wird. Hierzu erfolgt durch das optische Korrekturelement (44) mit zerstreuender optischer Wirkung eine Aufweitung des Pumplaserstrahles (41) in Abhängigkeit von der zu erwartenden Verschiebung des primären Raman- Fokus (40). Die vom Ramanreflektor (45) in Richtung Ramanzelle (25) rückreflektierte Ramanstrahlung (42) wird vom Fokussier-Element (26) in den sekundären Raman-Fokus (40) in der Zellenmitte fokussiert. Als optisches Korrekturelement (44) wurde eine plan-konkave Linse gewählt, deren konkave Seite einen Krümmungsradius von 237 mm aufweist, die Dicke beträgt 5 mm, die Brennweite f =-468 mm, als Glassorte wurde BK7 verwendet. Auch diese Anordnung gewährleistet, daß primärer und sekundärer Raman- Fokus (40) zusammenfallen, woraus eine erhöhte Effizienz des erfindungsgemäßen Raman-Lasers resultiert.

Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 3 können der Ramanreflektor und das, optische Korrekturelement selbstverständlich in einem einzigen Element kombiniert werden, indem der Ramanreflektor als Beschichtung auf der der Ramanzelle zugewandten planen Seite der plan-konkav- Linse angeordnet ist.

Ferner ist es möglich, die verwendete Ramanzelle (25) bzw. deren Eintrittsfenster auf eine definierte Verschiebung des primären Raman-Fokus derart auszulegen, daß die Forderung nach zusammenfallendem primären und sekundären Raman-Fokus durch eine geeignete Dimensionierung des Eintrittsfensters erfüllt wird. Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird anhand von Fig. 4 beschrieben. Der Aufbau des instabilen Pumplaser-Resonators ist dabei identisch mit denen der Ausführungsbeispiele aus Fig. 2 und Fig. 3. Für die identischen Teile wurden dabei die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 2 und 3.

Das entsprechend dimensionierte Eintrittsfenster (56) der Ramanzelle (55) gewährleistet, daß der erwähnte Selbstfokussierungs-Effekt bzw. die resultierende Verschiebung des primären Raman-Fokus (50) kompensiert wird. Es entfällt demzufolge das separate optische Korrekturelement (44) im Strahlengang des Ausführungsbeispieles aus Fig. 3, woraus eine weitere Vereinfachung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Raman- Lasers resultiert. Ferner ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die Innenseite des Eintrittsfensters (56) als Ramanreflektor (54) ausgebildet. Der Ramanreflektor weist für eine Fokus-Verschiebung δ = 8 mm einen Krümmungsradius von 61,53 mm auf, während die dem Pumplaser-Strahl (41) zugewandte Seite des Eintrittsfensters (56) einen Krümmungsradius von 25 mm besitzt. Es resultiert eine Brennweite des Eintrittsfensters (56) von 78,6 mm. Das Austrittsfenster (57) der Ramanzelle (55) ist genauso dimensioniert wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen.

In Fig. 5 ist das radial abhängige, stetig verlaufende Reflexionsprofil R(r) des Auskoppelspiegels des instabilen Pumplaser-Resonators graphisch dargestellt. Der Mittelpunkt des Auskoppelspiegels liegt bei der Radialkoordinate r = 0. Gewählt wurde eine Reflexionsschicht mit einem stetigen, radial abhängigem Reflexionsprofil, das prinzipiell der Beziehung

R(r) = R₀ _* exp (-2 _* (r/a)^m)

genügt, wobei R die Reflektivität und r die radiale Koordinate bezeichnet. R₀ ist der Maximalwert der Reflektivität, der Parameter m bestimmt die jeweilige "Flankensteilheit", a bezeichnet den Reflektivitätsprofil- Radius, bei dem die Reflektivität auf R₀/e² (ca. 13%) abgesunken ist. In Fig. 5 liegt m etwa bei 6, d. h. hier liegt ein Super-Gaußprofil vor. Für m = 2 spricht man von einem Gaußprofil.

Geeignete Werte von m liegen etwa zwischen 2 und 7. Bei der Wahl des Parameters m ist zu beachten, daß ein größeres m wegen einer besseren Ausnutzung des, aktiven Mediums durch die anschwingenden Moden zwar eine größere Ausgangsleistung zur Folge hat, jedoch auch eine schlechtere Strahlqualität verursacht, d. h. eine verringerte Fokussier-Effizienz bewirkt. Bei einer Wahl von m zwischen 2 und 7 ist ein akzeptabler Kompromiß zwischen diesen konkurrierenden Effekten erreichbar.

Das Maximum R₀ der Reflektivität für 1,064 µm liegt im Ausführungsbeispiel bei etwa 35% +/-10%. Als Material wird Ta₂O₅ gewählt, das auf den Nd : YAG-Stab aufgedampft wurde.

Claims (15)

1. Raman-Laser, bestehend aus

• - einem Pumplaser mit instabilem Pumplaser- Resonator, wobei der Pumplaser-Resonator einen Pumplaserstrahl (8, 33, 41) nahezu im TEM₀₀-Mode mit einer Strahlqualitätskenngröße M² zwischen 1 und 1,3 liefert,
• - mindestens einem Fokussierelement (6, 26, 56), zum Fokussieren des Pumplaserstrahles (8, 33, 41), in einen primären Raman-Fokus (34, 40, 50) einer außerhalb des Pumplaser-Resonators angeordneten Ramanzelle (5, 25, 55),
• - mindestens einem Ramanreflektor (11, 30, 45, 54), der die in Richtung auf den Pumplaser rückgestreute Raman-Strahlung (10, 31, 42, 52) in Richtung auf einen sekundären Raman-Fokus (34, 40, 50) umlenkt,
• - wobei die optischen Wirkungen des mindestens einen Fokussierelements (6, 26, 56) und des mindestens einen Raman-Reflektors (11, 30, 45, 54) in Abhängigkeit von einer zu erwartenden oder einer resultierenden Verschiebung (6) des primären Raman-Fokus (34, 40, 50) auf der optischen Achse so dimensioniert sind, daß der primäre und der sekundäre Raman-Fokus (34, 40, 50) in der Rahmanzelle (5, 25, 55) immer zusammenfallen.

2. Raman-Laser nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Pumplaser und dem Fokussierelement (26) ein erstes optisches Korrekturelement (24) angeordnet ist, dessen dem Fokussierelement (26) zugewandte Seite als Ramanreflektor (30) ausgebildet ist und derartige optische Eigenschaften aufweist, daß ein Rückreflektieren der Raman-Strahlung (31) in den primären Raman-Fokus (34) erfolgt, während es für den durchtretenden Pumplaser-Strahl (33) keine optische Wirkung aufweist, und des weiteren hinter dem Austrittsfenster (27) der Ramanzelle (25) ein zweites optisches Korrekturelement (32) angeordnet ist, das entlang der optischen Achse verschiebbar ist und ein Kollimieren der emittierten Raman-Strahlung ermöglicht.

3. Raman-Laser nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Pumplaser und dem Fokussierelement (26) ein optisches Korrekturelement (44) und der Ramanreflektor (45) angeordnet sind und das optische Korrekturelement (44) für den Pumplaserstrahl (41) eine zerstreuende optische Wirkung in Abhängigkeit von der zu erwartenden Verschiebung des primären Raman-Fokus (40) aufweist, so daß sowohl der Pumplaserstrahl (41) als auch die am Ramanreflektor (45) rückreflektierte Raman-Strahlung (42) im gleichen Punkt fokussiert werden.

4. Raman-Laser nach Anspruch 1, wobei die Ramanzelle (55) ein Eintrittsfenster aufweist, das sowohl als Fokussierelement (56) für den Pumplaserstrahl (41) als auch als Raman-Reflektor (54) für die rückgestreute Raman-Strahlung (52) wirkt.

5. Raman-Laser nach einem-der Ansprüche 1-4, wobei der instabile Pumplaser-Resonator einen Auskoppelspiegel (3, 23) mit einem stetig verlaufenden, radial abhängigen Reflektivitätsprofil für die Pumplaser- Wellenlänge umfaßt.

6. Raman-Laser nach Anspruch 5, wobei das radial abhängige Reflektivitätsprofil des Pumplaser- Auskoppelspiegels (3, 23) der Beziehung R(r) = R₀ _* exp (-2 _* (r/a)^m)genügt, wobei R die Reflektivität, r die radiale Koordinate, R₀ den Maximalwert der Reflektivität, der Parameter m die jeweilige Flankensteilheit und a den Reflektivitätsprofil-Radius, bei dem die Reflektivität auf R₀/e² (ca. 13%) abgesunken ist, bezeichnen.

7. Raman-Laser nach Anspruch 6, wobei der Parameter in zwischen 2 und 7 liegt.

8. Raman-Laser nach Anspruch 7, wobei R₀ zwischen 30% und 50% liegt.

9. Raman-Laser nach Anspruch 8, wobei der Pumplaser- Auskoppelspiegel (3, 23) aus einer aufgedampften Ta₂O₅-Schicht besteht.

10. Raman-Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Laser-Medium des Pumplasers ein stabförmiger Nd : YAG-Kristall (1, 21) dient, der bei einer Wellenlänge von 1,064 µm Laserstrahlung emittiert.

11. Raman-Laser nach Anspruch 10, wobei der Auskoppelspiegel (23) des Pumplasers an einem Ende des stabförmigen Nd : YAG-Kristalles (1, 21) angeordnet ist.

12. Raman-Laser nach Anspruch 11, wobei der Endspiegel (2, 22) des Pumplasers plan-konkav ausgeführt ist und die dem stabförmigen Nd : YAG-Kristall (1, 21) zugewandte konkave Seite hochreflektierend für die Pumplaser- Wellenlänge ist und der Radius der konkaven Endspiegel-Fläche des Pumplasers zwischen 2 m und 4 m liegt.

13. Raman-Laser nach Anspruch 12, wobei auf der benachbart zu der dem stabförmigen Nd : YAG-Kristall zugeordneten planen Seite des Endspiegels (22) eine sättigbare Absorberfolie (29) zur Güteschaltung angeordnet ist, zu der wiederum benachbart eine für die Pumplaser- Wellenlänge transparente Planplatte (28) angeordnet ist.

14. Raman-Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ramanzelle (5, 25, 55) mit Methan gefüllt ist und bei Verwendung von 1,064 µm-Pumpstrahlung induzierte Ramanstrahlung mit der Wellenlänge 1,54 µm liefert.

15. Verwendung des Raman-Lasers nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem elektrooptischen Entfernungsmeßgerät.