DE4419069A1 - Gepulster Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gepulsten Laser mit einem Oszilla­ tor, einem Lasermedium, einem wellenlängenselektiven Element zum Abstimmen der Wellenlänge eines vom Oszillator emittierten Strahlpulses, und mit einer Einrichtung zum gepulsten Anregen des Lasermediums.

Ein solcher Laseroszillator weist also ein Lasermedium auf, welches so breitbandig emittiert, daß der Laseroszillator mittels eines wellenlängenselektiven Elements abstimmbar ist.

Abstimmbare Laseroszillatoren sind hinsichtlich ihrer grund­ sätzlichen Aufbaus bekannt, beispielsweise aus der DE 29 18 863 C2. Solche Laseroszillatoren enthalten ein breitban­ dig emittierendes Lasermedium, z. B. eine Farbstofflösung, mit einer Gasentladung erzeugte Excimere oder Festkörpermateria­ lien. Im Resonator eines solchen Laseroszillators ist ein dis­ persives Element zur Wellenlängenabstimmung angeordnet. Dieses Abstimmelement (wellenlängenselektive Element) kann beispiels­ weise ein Gitter oder eine dispersive Prismenanordnung sein. Als wellenlängenselektives Element kommen auch ein Etalon, ein Fabry-Perot-Interferrometer oder auch doppelbrechende Kristalle in Betracht.

Die bei der Anordnung gemäß der DE 29 18 863 C2 ausgekoppelte Laserstrahlung enthält schmalbandige Strahlung, deren spektrale Verteilung im wesentlichen durch die Strahlaufweitungsvorrich­ tung und das wellenlängenselektive Element bestimmt ist, sowie relativ breitbandige Strahlung, deren spektrale Verteilung im wesentlichen durch das breitbandig emittierende Lasermedium gegeben ist. Diese breitbandige spontane Strahlung wird ASE (Amplified Spontaneous Emission) genannt. Das Verhältnis der Energie der schmalbandigen Laserstrahlung zur Energie der ASE wird als spektrale Reinheit der Ausgangsstrahlung des Laser­ oszillators bezeichnet. Die spektrale Reinheit der Ausgangs­ strahlung des Lasers verschlechtert sich zum Beispiel, wenn das Lasermedium impulsförmig angeregt wird und die Zeitdauer der Anregungspulse in der gleichen Größenordnung liegt, wie die Um­ laufzeit des Lichtes im Laserresonator (Oszillator). Typischer­ weise beträgt eine solche Umlaufzeit, je nach Lasertyp, etwa 2 bis 3 Nanosekunden.

Auch verschlechtert sich die spektrale Reinheit von Laserstrah­ lung zum Beispiel dann, wenn die Ausgangsstrahlung weiter ver­ stärkt wird, sobald die ASE und das spektral reine Laserlicht (also die oben genannte relativ schmalbandige Strahlung) ver­ schiedene Zeitverläufe im Laser haben. Im allgemeinen wird die ASE bereits zeitlich vor der Laserstrahlung emittiert.

Die bereits genannte DE 29 18 863 C2 lehrt auch, dem Laser­ resonator eine Einrichtung zur spektralen Filterung nachzu­ schalten, welche die ASE unterdrückt und die spektrale Reinheit der Ausgangsstrahlung verbessert.

Die deutsche Patentanmeldung P 43 02 378 offenbart einen gattungsgemäßen Laseroszillator, bei dem die spektrale Reinheit des gepulsten Ausgangsstrahles dadurch verbessert wird, daß der vom Laseroszillator emittierte Strahl mittels eines optischen Elementes nach Durchlaufen einer Aufweiteinrichtung und Pas­ sieren des wellenlängenselektiven Elementes aus dem Resonator ausgekoppelt wird, bevor er das Lasermedium erneut passiert und ihm dort breitbandige Strahlung (spontane Fluoreszenz und ASE) wieder zugemischt wird. Dieser ältere Vorschlag benötigt auf­ wendige optische Einrichtungen, insbesondere eine Aufweit­ einrichtung und eine aufwendige Auskoppeloptik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abstimmbaren gepulsten Laser der eingangs genannten Art derart weiterzubil­ den, daß bei geringem baulichen Aufwand eine hohe spektrale Reinheit der Ausgangsstrahlung erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet. Danach ist also erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Erzeugung eines einzigen emittierten Strahlpulses das Lasermedium zumindest zweimal zeitlich nacheinander jeweils so angeregt wird, daß es Strahlung emittiert.

Es ist bekannt, bei gepulsten Gasentladungslasern das Laser­ medium (Gasgemisch) zur Erzeugung eines einzigen emittierten Laserstrahlpulses zweimal zeitlich aufeinanderfolgend anzu­ regen, nämlich zum einen zum Zwecke einer sogenannten Vorioni­ sierung und zum anderen zum Zwecke einer sogenannten Hauptgas­ entladung. Eine solche Zweifach-Anregung des Lasermediums ist mit der vorliegenden Erfindung nicht gemeint. Die Vorioni­ sierung dieses Standes der Technik ist auch keine Anregung des Lasergases im eigentlichen Sinn der Lasertechnik. Anregung im Sinne der Lasertechnik bedeutet nämlich, daß das Lasermedium zumindest so stark angeregt wird, daß es Strahlung emittiert, deren Wellenlänge derjenigen Strahlung entspricht, die vom Laser erzeugt werden soll. Bei einer Vorionisierung hingegen werden im anschließend einer Gasentladung ausgesetzten Gas nur freie Elektronen erzeugt, um eine möglichst homogene Hauptgas­ entladung zu erreichen.

Dem Fachmann sind unterschiedlichste Lasersysteme einschließ­ lich gepulster Gasentladungslaser, Farbstofflaser, Festkörper­ laser etc. bekannt. Die Erfindung kann grundsätzlich bei einer Vielzahl bekannter Lasertypen eingesetzt werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Lasers ist vorgesehen, daß die Anregungseinrichtung, eine Strahlungsquelle aufweist, und daß zumindest zwei Strahlungs­ pulse zeitlich nacheinander in das Lasermedium gerichtet werden. Bei einem solchen Lasersystem wird also das Lasermedium des Oszillators durch eine weitere, gesondert vorgesehene Strahlungsquelle gepumpt, wobei die weitere Strahlungsquelle, wie in der Lasertechnik weithin bekannt ist, auch ein anderer Laser sein kann. So werden z. B. häufig Farbstofflaser von einem Excimerlaser gepumpt. Insbesondere für das letztgenannte System ist die vorliegende Erfindung geeignet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Strahlungspulse aus einem einzigen Pumpstrahlungspuls erzeugt werden, insbesondere dadurch, daß der erste Strahlungspuls eine kürzere Wegstrecke zurücklegt als der zweite Strahlungspuls.

Um eine maximale spektrale Reinheit des emittierten Laserstrah­ les zu erreichen, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausge­ staltung der Erfindung vorgesehen, daß der Zeitabstand der zwei Strahlungspulse zumindest annähernd der Laufzeit der Strahlung im Oszillator entspricht. Dieser Zeitabstand der beiden Anre­ gungsstrahlungspulse hängt von der Struktur und dem geometri­ schen Aufbau des verwendeten Lasersystems ab und muß für jedes System gesondert, z. B. experimentell optimiert werden.

Weiterhin werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung auch die Intensitäten der Anregungsstrahlungspulse im Verhältnis zueinander so optimiert, daß die Energie der breit­ bandigen spontanen Strahlung (ASE) minimal wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen gepulsten abstimmbaren Laser mit Oszillator und Anregungssystem;

Fig. 2 die Abhängigkeit des Kehrwertes der spektralen Reinheit der Laser-Ausgangsstrahlung vom Verhältnis des Zeit­ abstandes der zwei Anregungsstrahlungspulse zur Umlaufzeit der Strahlung im Resonator; und

Fig. 3 die Abhängigkeit des Kehrwertes der spektralen Reinheit der emittierten Ausgangsstrahlung vom Verhältnis der Intensität des ersten Anregungsstrahlungspulses zur Summe der Intensitäten beider Anregungsstrahlungspulse.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Lasersystem mit einem Oszillator, der durch einen Frontspiegel 10 und einen Rückspiegel 12 ge­ bildet wird. Der Rückspiegel 12 ist hier zugleich auch ein wellenlängenselektives Element in Form eines reflektierenden Gitters. Im Oszillator ist ein Lasermedium 14 im Strahlungsweg zwischen dem Spiegel 10 und dem Gitter 12 angeordnet. Beim Lasermedium 14 kann es sich z. B. um eine mit Farbstoff gefüllte Küvette handeln, wenn die Erfindung bei einem Farbstofflaser realisiert wird, der durch einen anderen Laser (siehe unten) gepumpt wird.

Im Resonator ist ein Auskoppelspiegel 16 angeordnet, der für die im Oszillator (auch als "Resonator" bezeichnet) oszillie­ rende Strahlung teildurchlässig ist, so daß ein Ausgangsstrah­ lungspuls 18 emittiert wird. Der Ausgangsstrahlungspuls 18 ist der emittierte Laserpuls, der zu erzeugen ist.

Das Lasermedium 14 wird durch Strahlungspulse 20 angeregt, d. h. es wird im Lasermedium 14 eine sogenannte Besetzungsinversion erzeugt.

Als Strahlungsquelle für die Anregung des Lasermediums 14 dient beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein weiterer Laser 22, im vorliegenden Fall ein gütemodulierter Festkörperlaser (z. B. Nd:YAG-Laser), dessen Strahlung durch Frequenzvervielfachung z. B. in den sichtbaren oder UV-Spektralbereich transformiert sein kann und der einen Pumpstrahlungspuls 24 erzeugt.

Beim Pumplaser kann es sich auch um einen Excimer- bzw. Stickstoff­ laser handeln bzw. können auch andere Impulslaser mit Ausgangs­ strahlung im sichtbaren bzw. UV-Bereich zum Einsatz kommen.

Der Pumpstrahlungspuls 24 trifft auf einen ersten teildurch­ lässigen Spiegel 30, so daß die Strahlung aufgeteilt wird in einen ersten, geradeaus durchgehenden Teilstrahl 31 und in einen zweiten, abgelenkten Teilstrahl 33, der auf einen total reflektierenden Spiegel 32 trifft. Auf diese Weise werden also zwei Strahlungspulse 26, 28, die in Fig. 2 symbolisch angedeu­ tet sind, gebildet. Der erste Strahlungspuls 26 trifft nach Passieren eines Abschwächers 38 auf einen Spiegel 36, so daß der erste Strahlungspuls 26 gemäß dem Pfeil 20 auf das Laser­ medium 14 trifft.

Der zweite Strahlungspuls 28 wird von einem total reflektieren­ den Spiegel 34 umgelenkt und trifft ebenfalls gemäß dem Pfeil 20 auf das Lasermedium 14, und zwar zeitlich um einen be­ stimmten Zeitabstand verzögert. Dieser Zeitabstand ergibt sich aus derjenigen Wegstrecke, die der zweite Strahlungspuls 28 mehr zurücklegen muß als der erste Strahlungspuls 26, bevor die Pulse zeitlich nacheinander auf das Lasermedium 14 treffen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist diese verlängerte Wegstrecke des zweiten Strahlungspulses 28 die Laufstrecke vom teildurchlässigen Spiegel 30 zum total reflek­ tierenden Spiegel 32 zuzüglich der Laufstrecke vom total re­ flektierenden Spiegel 34 zum teildurchlässigen Spiegel 36. Diese Strecke dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit ergibt den Zeitabstand der beiden auf das Lasermedium 18 treffenden Strahlungspulse 26, 28.

Die durch den Abstand der Spiegel 30/32 und 34/36 gegebene optische Verzögerungsstrecke, welche den Zeitabstand der Strah­ lungspulse 26, 28 beim Auftreffen auf das Lasermedium 14 bestimmt, wird so eingestellt, daß der zeitliche Abstand der beiden Strahlungspulse 26, 28 beim Auftreffen auf das Laser­ medium 18 so ist, daß das Verhältnis der Energie der breit­ bandigen spontanen Strahlung zur Energie der schmalbandigen Laserstrahlung (also der Kehrwert der "spektralen Reinheit") minimal wird, wie Fig. 2 darstellt.

Eine qualitative Erklärung des beobachteten physikalischen Effekts der starken Verbesserung der spektralen Reinheit der Strahlung aufgrund der Laseranregung mit der in Fig. 1 dar­ gestellten Anordnung ist, daß mit einem relativ schwächeren ersten Strahlungspuls 26 das Lasermedium 14 zunächst angeregt wird. Ein Teil der spontan und stimuliert emittierten Photonen läuft zum wellenlängenselektierenden Gitter 12 und wieder zu­ rück zum Lasermedium 14. Das wellenlängenselektive Gitter 12 bewirkt, daß die von ihm zurückreflektierte Strahlung eine höhere spektrale Reinheit hat als die ursprünglich auf das Git­ ter einfallende, vom Lasermedium 14 kommende Strahlung. Die vom Gitter zurückreflektierte Strahlung trifft im Lasermedium 14 zeitlich etwa dann (oder geringfügig vorher) ein, wenn der ver­ gleichsweise stärkere zweite Strahlungspuls 28 das Lasermedium 14 anregt. Die jetzt im Laserresonator schon vorhandene Strah­ lung höherer spektraler Reinheit bewirkt insgesamt eine Laser­ ausgangsstrahlung 18 mit einem im Vergleich zur bekannten Ein­ zelpulsanregung des Lasermediums viel geringeren Anteil an spektral breitbandiger Untergrundstrahlung (ASE). Das vorste­ hende Bild ist nur qualitativer Natur. Genauere quantitative Rechnungen zeigen gemäß Fig. 2 eine weitere Verbesserung der spektralen Reinheit (also des Kontrastes der eigentlichen Laserenergie zur ASE) bei einer größeren zeitlichen Verzögerung zwischen den beiden Strahlungspulsen 26, 28. Wie Fig. 2 zeigt, setzt eine beträchtliche Verbesserung der spektralen Reinheit bereits dann ein, wenn der zeitliche Abstand der beiden Strah­ lungspulse 26, 28 etwa das 1,5fache derjenigen Zeit beträgt, die Strahlung benötigt, um im Resonator einmal umzulaufen. Der optimale Wert der spektralen Reinheit wird etwa dann erreicht, wenn der zeitliche Abstand der beiden Strahlungspulse 26, 28 das 2,6fache oder mehr der Resonatorumlaufzeit beträgt. Gute Ergebnisse werden dann erhalten, wenn der zeitliche Abstand der beiden Pump-Strahlungspulse 26, 28 beim Auftreffen auf das Lasermedium 14 in der Größenordnung der Resonatorumlaufzeit liegt, also z. B. etwa das 2- bis 10fache der Resonatorumlauf­ zeit beträgt.

Fig. 3 zeigt das Verhältnis des Kehrwertes der spektralen Rein­ heit in Abhängigkeit vom Verhältnis der Intensitäten der Pump- Strahlungspulse 26, 28. In Fig. 3 ist der Kehrwert der spektra­ len Reinheit auf der Ordinate logarithmisch aufgetragen, und auf der Abszisse das Verhältnis der Intensität I₁ des ersten Strahlungspulses 26 zur Summe der Intensitäten des ersten Strahlungspulses 26 und des zweiten Strahlungspulses 28. Die Ergebnisse gemäß Fig. 3 zeigen, daß dann, wenn die Intensität I₁ des ersten Strahlungspulses 26 zwischen 10% und 25% der Gesamtintensität beider Strahlungspulse 26, 28 liegt, beste Werte hinsichtlich der spektralen Reinheit erreicht werden, wobei das Optimum beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa bei 15% liegt.

Claims (5)

1. Gepulster Laser mit einem Oszillator (10, 12), einem Lasermedium (14), einem wellenlängenselektiven Element (12) zum Abstimmen der Wellenlänge eines vom Oszillator emittierten Strahlpulses (18), und mit einer Einrichtung (22, 30-38) zum gepulsten Anregen des Lasermediums (14), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines emittierten Strahlpulses (18) mittels der Anregungseinrichtung (22, 30-38) das Laser­ medium (14) zumindest zweimal zeitlich nacheinander ange­ regt wird.

2. Gepulster Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung (22, 30-38), eine Strah­ lungsquelle (22) aufweist, und daß zumindest zwei Strah­ lungspulse (26, 28) zeitlich nacheinander in das Laser­ medium (14) gerichtet werden.

3. Gepulster Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei zeitlich aufeinander folgenden Strahlungspulse (26, 28) aus einem einzigen Pumpstrahlungspuls (24) erzeugt werden, insbesondere dadurch, daß der erste Strah­ lungspuls (26) eine kürzere Wegstrecke (30, 36) zurücklegt als der zweite Strahlungspuls (28).

4. Laser nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand der zwei Strahlungspulse (26, 28) zu­ mindest annähernd der Größenordnung der Umlaufzeit der Strahlung im Resonator entspricht.

5. Laser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strahlungspuls (26) schwächer ist als der zweite Strahlungspuls (28), derart, daß die Energie der breitbandigen spontanen Strahlung (ASE) minimal wird.