DE8804117U1 - Laser device with emission in the infrared spectral range - Google Patents

Description

Nürnberg, den 21. Mars 1988 Reg. 29344Nuremberg, March 21, 1988 Reg. 29344

LASERVORRICHTUNG MIT EMISSION IM INFRAROTEN SPEKTRALBEREICHLASER DEVICE WITH EMISSION IN THE INFRARED SPECTRAL RANGE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser device according to the preamble of claim 1.

Nach Stand der Technik sind unterschiedliche Laservorrichtungen bekannt, welche die stimulierte Ramanstreuung zur Frequenzkonversion von Laserlicht in einen langwelligeren Spektralbereich verwenden. Häufig werden Ramanresonatoranordnungen eingesetzt, bei denen das ramanaktive Medium mit Hilfe von Spi&gela-iordnungen eine optische Rückkopplung der frequenzverschobene*». Ramanemission erzeugt. Durch diese Maßnahme wird der hohe Intensitätsbedarf des stimulierten Streuprozesses in gewiesen Grenzen abgesenkt; trotzdem benötigen diese Anordnungen Fokussierelemente zur Bündelung des eingestrahlten Laserliehtee und eine hinreichend große Anzahldichte der Moleküle des Ramanmediums, so dafl bei Verwendung eines gasförmigen Mediums höhere Drucke von einigen 10 bar zur Anwendung kommen, was einen entsprechenden technischen Aufwand für die erforderlichen Druckzellen bedingt. Die stimulierte Ramanstreuung in Gasen weist dabei den prinzipiellen Vorteil auf, daß der konkurrierende Prozeß der stimulierten Brillouinetreuung bei nicht zu hohen Drucken und Anregung mit Riesenimpulsen den Ramanprozeß nicht entscheidend beeinträchtigt, was zu befriedigenden Werten für die Energie- und Leistungskonversion des Ramanproz««s«s führen kann. Neben dem technischen Aufwand für den Ramanreso-According to the state of the art, various laser devices are known which use stimulated Raman scattering to convert the frequency of laser light into a longer wavelength spectral range. Raman resonator arrangements are often used in which the Raman-active medium generates an optical feedback of the frequency-shifted Raman emission with the help of mirror arrangements. This measure reduces the high intensity requirement of the stimulated scattering process to a certain extent; nevertheless, these arrangements require focusing elements to concentrate the irradiated laser light and a sufficiently high number density of the molecules of the Raman medium, so that when a gaseous medium is used, higher pressures of several 10 bar are used, which requires a corresponding technical effort for the required pressure cells. Stimulated Raman scattering in gases has the fundamental advantage that the competing process of stimulated Brillouine scattering does not significantly affect the Raman process at not too high pressures and excitation with giant pulses, which can lead to satisfactory values for the energy and power conversion of the Raman process. In addition to the technical effort for the Raman resonance,

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nator und die Druckzelle des Ramanmediuras sind als weitere wichtige Nachteile der hohe Intensitätsbedarf und die verhältnismäßig große Impulsdauer des Ramanprozesses in diesen Vorrichtungen zu nennen. Wegen der Bauart-bedingten Laufzeiten in dem Ramanresonator einerseits und den Sättigungseigenschaften der stimulierten Ramanstreuung andererseits läßt sich mit diesen Anordnungen bei hohen Leistungskonversionen von einigen 10 % keine nennenswerte Impulsverkürzung der Ramanemission im Vergleich zu den eingestrahlten Riesenimpulsen des Lasers erreichen. Weiterhin besteht für die Auswahl einer erwünschten Frequenzverschiebung des Ramanprozesses nur wenig Entscheidungsspielraum/ da nur eine verhältnismäßig geringe Zahl von Molekülen im Bereich der Zimmertemperatur und Drucken von einigen 10 bar in der Gasphase vorliegen.nator and the pressure cell of the Raman medium, other important disadvantages are the high intensity requirement and the relatively long pulse duration of the Raman process in these devices. Due to the design-related running times in the Raman resonator on the one hand and the saturation properties of the stimulated Raman scattering on the other hand, these arrangements cannot achieve any significant pulse shortening of the Raman emission compared to the giant pulses radiated by the laser at high power conversions of a few tens of percent. Furthermore, there is little scope for choosing a desired frequency shift of the Raman process, since only a relatively small number of molecules are present in the gas phase at room temperature and pressures of a few tens of bar.

Aus der Fachliteratur sind andererseits zahlreiche Beispiele für die stimulierte Ramanstreuung an Flüssigkeiten bekannt. Dabei wird im Regelfall auf die Verwendung eines gesonderten Ramanresonators verzichtet und die Strahlung eines Riesenimpulslasers in einfacher Weise in die Flüssigkeitsküvette mit dem Ramanmedium fokussiert. Joweit die optische Rückkopplung an. den Küvettenfenstern für den Streuprozeß eire untergeordnete Rolle spielt, liegt hier ein sogenannter Generator für stimulierte Ramanstreuung oder kurz Ramangenerator vor. Trotz ihres einfachen Aufbaus ist eine solche Ramananordnurg bisher nicht technisch zum Eineatz gekommen, weqen dec schwachen Konversion von Laserstrahlung in den gewünschten Wellenlängenbereich d»r Ramanemiesion. Ursächlich für diesen Sachverhalt ist die stimulierte Brillouinstreuung, welche unter stationären Bedingungen in bisher bekannten Flüssigkeiten einen wesentlich höheren Verstärkungsfaktor besitzt ale die stimulierte Ramanetreuung. DieOn the other hand, there are numerous examples of stimulated Raman scattering on liquids known from the specialist literature. In this case, the use of a separate Raman resonator is generally dispensed with and the radiation from a giant pulse laser is simply focused into the liquid cuvette containing the Raman medium. As the optical feedback at the cuvette windows plays a minor role in the scattering process, this is a so-called generator for stimulated Raman scattering, or Raman generator for short. Despite its simple structure, such a Raman arrangement has not yet been used technically due to the weak conversion of laser radiation into the desired wavelength range of the Raman emission. The reason for this is stimulated Brillouin scattering, which under stationary conditions in previously known liquids has a significantly higher amplification factor than stimulated Raman scattering.

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stimulierte Btillouinstreuung behindert dabei durch nichtlineare Reflexion das Eindringen der intensiven Laserstrahlung in des Ramanmedium, so daß eine intensive Ramanemiseion nicht zustandekommt. Bei den bekannten Ausführungsformen läßt sich nur durch Anwendung extrem kurzer Laserimpulse mit einer Dauer im Subnanosekunden- bis Pikosekundenbereich die stimulierte Brillouinstreuung weitgehend unterdrücken, &iacgr;Stimulated Brillouin scattering prevents the intense laser radiation from penetrating the Raman medium through non-linear reflection, so that intensive Raman emission does not occur. In the known embodiments, stimulated Brillouin scattering can only be largely suppressed by using extremely short laser pulses with a duration in the sub-nanosecond to picosecond range.

die einen entsprechend größeren Zeitbedarf im Vergleich zur j stimulierten Rantanstreuung aufweist, und auf diese Weise ein Ramangenerator mit guter Effizienz realisieren. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind derartige kurze Laserimpulse nicht erforderlich, wodurch eine entsprechend aufwendige Ausgestaltung des Anregungnlasers vermieden wird.which requires a correspondingly longer time compared to j stimulated Raman scattering, and in this way realize a Raman generator with good efficiency. In the embodiment according to the invention, such short laser pulses are not required, thereby avoiding a correspondingly complex design of the excitation laser.

In der Fachliteratur werden weiterhin Ausführungsformen des Ramangenerators mitbeschrieben, welche eine bevorzugte Emission in Rückwärtsrichtungen besitzen. Hierzu werden besonders lange Küvettenanordnungen und ein näherungsweiser paralleler Bündelverlauf im Ramanmedium eingesetzt; durch die lange Verstärkungslänge bis zu 1 m des Ramanprozesses in Rückwärtsrichtung wird eine intensive Ramanemission mit hoher Leistungseffizienz bei gleichzeitiger Impulsverkürzung erzeugt. Diese sehr langen Küvettenanordnungen sind für die erfindungsgemäße Laservorrichtung nicht vorgesehen. £The specialist literature also describes embodiments of the Raman generator which have a preferred emission in the backward direction. For this purpose, particularly long cuvette arrangements and an approximately parallel beam path in the Raman medium are used; the long amplification length of up to 1 m of the Raman process in the backward direction produces an intensive Raman emission with high power efficiency and simultaneous pulse shortening. These very long cuvette arrangements are not intended for the laser device according to the invention. £

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines Ramangenerators eine Laservorrichtung mit hohem Wirkungsgrad zu realisieren, wobei im Vergleich zu bekannten Ausführungs-The invention is based on the object of realizing a laser device with high efficiency using a Raman generator, whereby in comparison to known embodiments

formen ein einfacherer Aufbau mit einer geringeren SaHl von j optischen Bauelementen und kürzere Baulängen vorgesehen ]forms a simpler structure with a lower number of optical components and shorter lengths ]

sind. jare. j

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäe durch die Merkmale des jThis object is achieved according to the invention by the features of the j Anspruchs 1 gelöst.Claim 1 is resolved.

Ein solches Gerät gewährleistet bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand einen hohen Wirkungsgrad und eine zuverlässige Arbeitsweise. Hierzu wird der nichtlineare Prozeß der optischen Selbst£ökussie.i.ung eingesetzt, der als Störprozeß im Zusammenhang mit Untersuchungen der stimulierten Streuprozesse bekannt ist. Erfindungsgemäß wird die optische Selbstfokussierung bewußt im Ramangenerator eingesetzt, wobei die Anpassung der Eigenschaften dieses Prozesses an den Intensitätsbedarf der stimulierten Ramanstreuung durch eine geeignete Bündeleinengung mit Hilfe von Fokussierelementen erfolgt. Da die optische Selbstfokussierung weiterhin von dem Materialparameter der optischen Kerrkonstante abhängt, ist in einem Unteranspruch der Erfindung vorgesehen, die relative Größe der optischen Kerrkonstante für die Selbstfokussierung einerseits und des Verstärkungsfaktors der stimulierten Ramanstreuung andererseits durch Mischungen von Flüssigkeiten anzupassen. Beispielsweise läßt sich durch geringfügige Zusätze eine Flüssigkeit mit sehr hohem Wert der optischen Kerrkonstante zu einer weiteren Flüssigkeit, die einen hohen Verstärkungskoeffizienten der Ramanstreuung aufweist, der Wert der Eingangsintensität einstellen, bei dem im Ramanmedium die optische Selbstfokussierung auftritt. In einem weiteren Unteranspruch wird eine erhebliche Impulsverkürzung des Ramangenerators erreicht, wozu ein geeignetes Einstellen des Prozesses der optischen Selbstfokussierung mittels der Fokussierelemente oder auch der optischen Kerrkonstanten des Ramanmediums dient.Such a device guarantees a high level of efficiency and reliable operation with comparatively little technical effort. The non-linear process of optical self-focusing is used for this purpose, which is known as a disturbance process in connection with investigations of stimulated scattering processes. According to the invention, optical self-focusing is deliberately used in the Raman generator, whereby the properties of this process are adapted to the intensity requirement of the stimulated Raman scattering by means of a suitable beam narrowing with the help of focusing elements. Since optical self-focusing also depends on the material parameter of the optical Kerr constant, a sub-claim of the invention provides for the relative size of the optical Kerr constant for the self-focusing on the one hand and the amplification factor of the stimulated Raman scattering on the other hand to be adapted by mixing liquids. For example, by adding a liquid with a very high value of the optical Kerr constant to another liquid that has a high Raman scattering amplification coefficient, the value of the input intensity at which optical self-focusing occurs in the Raman medium can be set. In a further subclaim, a significant pulse shortening of the Raman generator is achieved, for which purpose a suitable adjustment of the process of optical self-focusing by means of the focusing elements or the optical Kerr constant of the Raman medium is used.

Der Prozeö der Selbstfokussierung führt dabei zu einer kurzzeitigen Intensitätserhöhung in Medium, welche die stimulierte Ramanstreuung bei gleichseitiger Impulsverkürzung begünstigt; weiterhin vermag die stimulierte Brillouinstreuung wegen ihres erwähnten größeren Zeitbedarfs den raschenThe process of self-focusing leads to a short-term increase in intensity in the medium, which favors stimulated Raman scattering with equal-sided pulse shortening; furthermore, stimulated Brillouin scattering is able to compensate for the rapid

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niahtlinearen Intensitätsänderungen nicht zu folgen, was eine hüfi&thgr; Leistungskonversion des Ramangenerators erlaubt» Dabei findet Ramanemiesion sowohl in Vorwärts(= Einstrahlungs-)richtung und in Rückwärtsrichtung statt. Letztere kann durch eine geeignete Auskoppelvorrichtung verwendbar gemacht werden.not to follow non-linear intensity changes, which allows a high power conversion of the Raman generator. Raman emission takes place both in the forward (= irradiation) direction and in the backward direction. The latter can be made usable by a suitable coupling device.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die stimulierte Brillouinstreuung herabgesetzt und nicht vollständig vermieden. Es kann sich daher, beispielsweise bei sehr hohen Ausgangsleistungen des Riesenimpulslasers oder bei Verwendung einer Laserverstärkerstufe als günstig erweisen, die nichtlineare Reflexion von Strahlung durch diesen Prozeß durch einen an sich bekannten optischen Richtungsisolator zu unterdrücken. In the device according to the invention, the stimulated Brillouin scattering is reduced and not completely avoided. It can therefore prove advantageous, for example in the case of very high output powers of the giant pulse laser or when using a laser amplifier stage, to suppress the non-linear reflection of radiation through this process by means of a known optical directional isolator.

Die Ramanemission wird vorzugsweise in dem durch Selbstfokussierung scharf gebündelten Bündelbereich erzeugt und weist zunächst eine entsprechende hohe Divergenz auf. Beispielsweise mit einer Linse oder einer aus mehreren Elementen bestehenden optischen Kollimationsanordnung IaOt sich ein kollimieiies Bündel mit dem gewünschten Bündeldurchmesser und/oder Divergenz einstellen. In vielen Anwendungsbeispielen wird eine minimale Divergenz erforderlich sein; die optimale Positionierung der Bauelemente zur Kollimation wird dabei in der Regel empirisch durch geeignetes Justieren erfolgen. The Raman emission is preferably generated in the beam area that is sharply focused by self-focusing and initially has a correspondingly high divergence. For example, with a lens or an optical collimation arrangement consisting of several elements, a collimated beam with the desired beam diameter and/or divergence can be set. In many application examples, a minimal divergence will be required; the optimal positioning of the components for collimation is usually done empirically by suitable adjustment.

In zahlreichen Anwendungsbeispielen muß beispielsweise aus Sicherheitsgründen die Laserstrahlung mit der Laserwellenlänge abgeschirmt und/oder von der Ramanemission abgetrennt werden. Hierzu sind eine Vielzahl von Möglichkeiten für die technische Ausgestaltung gegeben. Beispielsweise erlaubtIn many application examples, for example, the laser radiation must be shielded with the laser wavelength and/or separated from the Raman emission for safety reasons. There are a variety of technical design options for this. For example,

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die unterschiedliche Wellenlänge von Laser- und Ramanstrahlung in an eich bekannter Weise die Trennung mit geringen Verlusten für die Ramanemissiön, beispielsweise mit optischen Filtern (Absorption der Laserkomponente), diehroitischen Spiegeln oder Interferenzfilter (seitliches Reflektieren der Laserkomponente). Die Trennung der spektralen Komponenten kann auch polarisationsoptisch, beispielsweise in einer Anordnung ähnlich einem Lyotfilter erfolgen.the different wavelengths of laser and Raman radiation in a manner known to us, the separation with low losses for the Raman emission, for example with optical filters (absorption of the laser component), diaphragmatic mirrors or interference filters (lateral reflection of the laser component). The separation of the spectral components can also be carried out using polarization optics, for example in an arrangement similar to a Lyot filter.

Zur Reduktion des technischen Aufwandes und zwecks Gewicht und Platzeinsparungen ist hierzu in einem Unteranspruch der Erfindung vorgesehen, die Flüssigksitsküvette und die optischen Bauelemente zum Fokussieren der Eingangsstr?hlung sowie zur Kollimation und spektralen Selektion der Ramanemission in Vorwärts- und/oder Rückwärtsrichtung zu kompakten Einheiten zusammenzufassen. Einige Ausführungsbeispiele sind in den Fig. beispielhaft aufgeführt. Bevorzugte Ausführungsformen benutzen zur Vermeidung von Strahlungsschäden eine Ramanküvette von beispielsweise 10 cm Länge und eine Position der Fokalebene der anregenden Laserstrahlung im Abstand von einigen Zentimetern von den Küvettenfenstern oder verwenden Bauelemente der Fokussier- und Kollimationsanordnung direkt zum Abschluß des Flüssigkeitsvolumens. Vorzugsweise seitliches Auskoppeln der nicht konvertierten Laserstrahlung ermöglicht eine Verwendung für weitere Anwendungen, beispielsweise zur Detektion für die Erzeugung eines Triggersignals und/oder zur Überwachung des T.aserbetriebes durch die Meßelektronik. Für Anordnungen mit kurzer Gesamtbaulänge ist eine gefalteter Bündelverlauf denkbar (Ausführungsbeispiel), wobei das Umlenken der Strahlung beispielsweise durch dichroitische Spiegel gleichzeitig zur Trennung der spektralen Komponenten verwendet werden kann.To reduce the technical effort and to save weight and space, a sub-claim of the invention provides for the liquid cuvette and the optical components for focusing the input radiation and for collimation and spectral selection of the Raman emission in the forward and/or backward direction to be combined into compact units. Some embodiments are shown as examples in the figures. To avoid radiation damage, preferred embodiments use a Raman cuvette of, for example, 10 cm in length and a position of the focal plane of the exciting laser radiation at a distance of a few centimeters from the cuvette windows or use components of the focusing and collimation arrangement directly to close off the liquid volume. Preferably lateral coupling of the non-converted laser radiation enables use for other applications, for example for detection for the generation of a trigger signal and/or for monitoring the laser operation by the measuring electronics. For arrangements with a short overall length, a folded beam path is conceivable (example), whereby the deflection of the radiation, for example by dichroic mirrors, can simultaneously be used to separate the spectral components.

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Bei vielen Anwendungsbeispielen wird das Einstellen einer bestimmten oder mehrerer Wellenlängen der Ramanemission erwünscht sein. Wie die Unteransprüche 4 und 5 ausweisen, kann dies in einfacher Form durch die Auswahl einer geeigneten raroanaktiven Flüssigkeit geschehen; bei der Vielzahl von bekannten Flüssigkeiten im Bereich der Zimmertemperatur mit unterschiedlichen Raman-Frequenzverschiebungen lassen sich spezielle Wellenlängenwerte der Ramanemission auch für unterschiedliche Lasermaterialien und damit Wellenlänge des Riesenimpulslasers einstellen, beispielswese für Nd:YAG, Nd:YAP, NdtYAlO₃, Nd:Glas oder Alexandrit. Als Beispiel sei der augensichere Spektralbereich genannt, in dem beispielsweise die Laservorrichtung mit Nd:YAG als Lasermaterial und Dimethylsulfoxid als Ramanflüssigkeit emittiert. Ein Wechsel der Wellenlänge der Ramanemission ist dabei durch einfachen Wechsel der RamenkUvette möglich. Hierzu können in Form von KUvettenwechelern spezielle mechanische Vorrichtungen eingesetzt werden.In many application examples, it will be desirable to set a specific wavelength or several wavelengths of the Raman emission. As subclaims 4 and 5 show, this can be done in a simple way by selecting a suitable Raman-active liquid; with the large number of known liquids in the range of room temperature with different Raman frequency shifts, special wavelength values of the Raman emission can also be set for different laser materials and thus wavelength of the giant pulse laser, for example for Nd:YAG, Nd:YAP, NdtYAlO ₃ , Nd:glass or alexandrite. One example is the eye-safe spectral range in which, for example, the laser device emits with Nd:YAG as the laser material and dimethyl sulfoxide as the Raman liquid. Changing the wavelength of the Raman emission is possible by simply changing the Raman cuvette. Special mechanical devices in the form of cuvette changers can be used for this purpose.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung dienen der Steigerung der Ramanemission durch geeignete, grundsätzlich bekannte -Further embodiments of the invention serve to increase the Raman emission by suitable, basically known -

AusfUhrungsformen des anregenden Riesenimpulslasers. V«r- .·Embodiments of the exciting giant pulse laser. V«r- .·

schiedanst· Laser dieser Gattung, sowohl mit aktiver wie ':schiedanst· Lasers of this type, both with active and ':

mit passiver Güteschaltung, sind als Pumplaser für den Ramanganerator geeignet. Ein· hohe Ausgangsleistung der Laser vor richtung wird vorzugsweise durch ein« möglichst kurze Bau1ing· des Las«rr«sonators des Riesenimpulslasers erreicht, da bei kurzer Resonatorumlaufzeit der Laseremission di· im Lasarmaterial gespeichert« Energie schnaller abgerufen wird. Die erhöht« Leistung d«s Riesenimpulslasers läßt sich durch geeignetes Einstellen dar Fokussierung in ein« Leistungssteigerung des Ramang«n«rators umsetzen.with passive Q-switching are suitable as pump lasers for the Ramang generator. A high output power of the laser device is preferably achieved by a construction of the giant pulse laser's laser resonator that is as short as possible, since the energy stored in the laser material is accessed more quickly when the resonator rotation time of the laser emission is short. The increased power of the giant pulse laser can be converted into an increase in the power of the Ramang generator by adjusting the focus appropriately.

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Eine Steigerung der Ausgangsleistung der Laservorrichtung läßt sich auch durch einen höheren Auskopplungsgrad (erniedrigten Reflexionsfaktor) des AuskoppeIelernentes des Riesenimpuls lasers bewirken, wozu in an sich bekannter Weise die Laserleistung vergrößert und ein erhöhter Pumpbedarf für den Riesenimpulslaser in Kauf genommen wird. Ähnliches gilt für eine Vergrößerung des Schalthubes des aktiven oder passiven Güteschalters. Weiterhin läßt sich die Laserleistung durch Laserverstärker anheben. Die erhöhte Laserleistung läßt sich wegen der Eigenschaften der optischen Selbstfokussierung durch Anpassung der erforderlichen Schwellwertleistung für diesen Prozeß mittels geeignetem Fokussieren, beispielsweise durch eine entsprechende Vergrößerung der effektiven Brennweite der Fokuseierungselemente in eine entsprechend höhere Spitzenleistung der Ramanemission umsetzen.An increase in the output power of the laser device can also be achieved by a higher degree of coupling (reduced reflection factor) of the coupling element of the giant pulse laser, for which the laser power is increased in a known manner and an increased pumping requirement for the giant pulse laser is accepted. The same applies to an increase in the switching stroke of the active or passive Q-switch. The laser power can also be increased by laser amplifiers. Due to the properties of optical self-focusing, the increased laser power can be converted into a correspondingly higher peak power of the Raman emission by adjusting the required threshold power for this process using suitable focusing, for example by increasing the effective focal length of the focusing elements accordingly.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Effizienz des Ramangenerators von der Modenstruktur der Laserimpulse des Riesenimpulslasers abhängt. Optimale Ergebnisse werden für eineInvestigations have shown that the efficiency of the Raman generator depends on the mode structure of the laser pulses of the giant pulse laser. Optimal results are achieved for a

Laseremission im Grundmodus (TEM,) erzielt. Die transversa-Laser emission in fundamental mode (TEM,) is achieved. The transverse

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Ie Modenstruktur des Rieeenimpulslasere läßt sich durch Einengen dee Laserbündels in an eich bekannter Weise mit einer Modenblende oder durch eine entsprechende Apertur anderer Bauelemente, beispielsweise durch den Durchmesser des Lasermediums erzielen. Durch diese Maßnahme kann ein erhöhter Anteil der gesamten Laserstrahlung zur Selbetfokueeierung und damit auch zur Ramanemieeion beitragen. Wegen der spektralen Eigenschaften der stimulierten Ramanatreuung erweiet eich häufig eine Einengung der Laserbandbreite als günstig, wozu ein Resonanzreflektor oder andere, an sich bekannte Maßnahmen zur longitudinalen Modeneelektion eingesetzt werden. Eine planparallele Platte als Auskoppelspiegel zeichnet sieh darüber hinauf durch Einfachheit, gering· Kosten undThe mode structure of the giant pulse laser can be achieved by narrowing the laser beam in a known manner with a mode aperture or by a corresponding aperture of other components, for example by the diameter of the laser medium. This measure allows an increased proportion of the total laser radiation to contribute to self-focusing and thus also to Raman emission. Due to the spectral properties of stimulated Raman scattering, narrowing the laser bandwidth often proves to be advantageous, for which a resonance reflector or other known measures for longitudinal mode selection are used. A plane-parallel plate as an output mirror is also characterized by simplicity, low costs and

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bei geeigneter Materialauswahl - beispielsweise Saphir- oder Quarzglas - durch hohe Strahlungsbelastbarkeit aus.With the right choice of material - for example sapphire or quartz glass - it is characterized by high radiation resistance.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Einander entsprechende Bauelemente weisen dabei in den einzelnen Figuren dieselben Bezugszahlen auf. Es zeigen:The invention is explained below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Components that correspond to one another have the same reference numbers in the individual figures. They show:

Fig. 1 das prinzipielle Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Laservorrichtung/Fig. 1 the basic block diagram of an embodiment of the laser device/

Fig. 2 eine erste Variante,
Pig. 3 eine zweite Variante,Fig. 2 a first variant,
Pig. 3 a second variant,

FLj. 4 eine Varinate mit einem gefalteten Bündelverlauf und FLj. 4 a variant with a folded bundle course and

Fig. 5 eine detaillierte Schemaskizze der Laservorrichtung gemäß Fig. 1.Fig. 5 is a detailed schematic diagram of the laser device according to Fig. 1.

Im Blockschaltbild der Fig. 1 sind die maßgeblichen Baugruppen eines Ausführungsbeiepiels der Erfindung hintereinandergeschaltet: der Riesenimpulslaser 10, der als Pumplaser dient, sendet Laserstrahlung 22 in den Ramangenerator 30, die durch eine Fokussiervorrichtung 16, 17 *n die Intensitäts- und Konvergenzanforderungen der optischen Selbstfokuseierung und stimulierten Ramanstreuung in der Ramanküvette 18 mit der raman- und selbstfokussieraktiven Flüssigkeit angepaßt wird. Intensive, divergente Ramanemission findet beispielsweise in Vorwärtsrichtung statt und wird mit der Kollimationevorrichtung 31 (19, 20) hinsichtlich Bünde1-durchmesser und -Divergenz eingestellt; durch eine Trennvor-In the block diagram of Fig. 1, the relevant components of an embodiment of the invention are connected in series: the giant pulse laser 10, which serves as a pump laser, sends laser radiation 22 into the Raman generator 30, which is adjusted by a focusing device 16, 17 to the intensity and convergence requirements of the optical self-focusing and stimulated Raman scattering in the Raman cuvette 18 with the Raman and self-focusing active liquid. Intensive, divergent Raman emission takes place, for example, in the forward direction and is adjusted with the collimation device 31 (19, 20) in terms of bundle diameter and divergence; by a separation device

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richtung 21 erfolgt die Separation von der restlichen Laserstrahlung 23, so daß ein Ramanimpuls 24 mit gut definierten Eigenschaften von der Vorrichtung emittiert wird. Die Reihenfolge der KoIlimations- und Trennelemente ist dabei in gewissen Grenzen wählbar, so daß in bevorzugten Ausführungsformen die Bauelemente 16 bis 21 zu einer oder zwei möglichst kompakten Einheiten zusammengefaßt werden. Beispielsweise lassen sich die beiden Funktionen durch ein abbildendes Element 20 aus Filtermaterial kombinieren/ welches die Laserstrahlung absorbiert, aber die Ramanemission pi/a'-tisch ungeschwächt transmitt-J.ert. Weiterhin können die abbildenden Elemente 17, 19 der Fokussier- bzw. KoIlimationsvorrichtung mit den optischen Fenstern der Ramanküvette 18 integriert werden. Vorrichtungen, welche alternativ (Fig. 2) oder zusätzlich die Ramanrückwärtsemission der Ramanküvette 16 benutzen, benötigen ein Trennclement 21, welches die Laserstrahlung 22 mit nur geringen Verlusten transmittiert, die wellenlängenverschobene Ramanemission aber fast vollständig seitlich herausreflektiert. Hierzu kann beispielsweise ein dichroitischer Spiegel eingesetzt werden. Die abgetrennte Ra^an-Rückwärtsemission wird durch eine KoIlimationsvorrichtung 19', 20* in analoger Weise wie im Fall der Vorwärtsemission 24 behandelt. Das Aueführungsbeispiel der Fig. 4 weist zusätzlich Umlenkelemente 27 auf, wobei auch ein Trennelement 21 zum Umlenken der Pumplaseretrahlung eingesetzt werden kann, wodurch eine Reduktion der Baulänge der Laservorrichtung erreicht werden kann. Die Faltung des Strahlenganges kann alternativ oder zusätzlich an anderen Stellen vorgenommen werden. Zur Steigerung der Laserleistung und damit letztlich auch dar Ramanemissiun können eine cder mehrere Laeerveretärkerstufen 25, 26 in den Strahlengang zwischen Laser 10 und Ramangenerator 30 eingebracht werden.The separation from the remaining laser radiation 23 takes place in the focusing device 21, so that a Raman pulse 24 with well-defined properties is emitted by the device. The order of the collimation and separation elements can be selected within certain limits, so that in preferred embodiments the components 16 to 21 are combined into one or two units that are as compact as possible. For example, the two functions can be combined by an imaging element 20 made of filter material, which absorbs the laser radiation but transmits the Raman emission in a pi-a'-tically unattenuated manner. Furthermore, the imaging elements 17, 19 of the focusing or collimation device can be integrated with the optical windows of the Raman cuvette 18. Devices which alternatively (Fig. 2) or additionally use the Raman backward emission of the Raman cuvette 16 require a separating element 21 which transmits the laser radiation 22 with only slight losses, but almost completely reflects the wavelength-shifted Raman emission out to the side. A dichroic mirror can be used for this purpose, for example. The separated Raman backward emission is treated by a collimation device 19', 20* in a similar manner to the case of the forward emission 24. The embodiment of Fig. 4 additionally has deflecting elements 27, whereby a separating element 21 can also be used to deflect the pump laser radiation, whereby the length of the laser device can be reduced. The folding of the beam path can alternatively or additionally be carried out at other points. To increase the laser power and thus ultimately also the Raman emission, one or more laser amplifier stages 25, 26 can be introduced into the beam path between laser 10 and Raman generator 30.

In Pig. 4 sind dii Baugruppen der Fig. 1 beispielhaft mit Einzelelementen dargestellt. Der Rieeenimpulilaeer 10 be-&bull;teht au· Retonatortpiegeln 11, 15, dem Laitrstab 14 mit einer Blitzlampenanordnung 13 zum optischen Pumpen sowie dem aktiven oder passiven Güteschalter 12. Letzterer kann, beispielsweise in Form eines rotierenden Prismas oder Spiegels mit dem Endspiegel 11 zu einem Element vereinigt sein. Ssvcrsugts Ausführungsbeiepiei· benutzen einen leicht sphärisch gekrümmten dielektrischen Endspiegel zur Herabsetzung der Btabilitätsanforderungen an den Laserresonator und eine planparallele Platte als Auskoppelspiegel 15, wegen ihrer Eignung zur longitudinalen Modenselektion. Für die Fokussierung 16, 17 des Ramangenerators 30 bzw. ftir die Kollimationsanordnung werden häufig jeweils ein abbildendes Element ausreichen. Die speziellen Fokussieranforderungen zur optimalen SelbKtfokussierung der Pumplaseretrahlung bzw. Anforderungen an die Strahlparameter der Ramanemission können, u. a. in Verbindung mit den Anforderungen an die Baulänge zu komplexeren Ausführungen 16, 17 bzw. 19, 20 führen. Die Fenster der Ramanküvette sind im Strahlengang verkippt angeordnet, sofern sie nicht durch Integration mit Fokussierund Xollimierelementen ganz entfallen, um störende Rückreflexionen zu vermeiden. Heiterhin empfiehlt es sich, Tranemissionsverluste durch geeignetes Vergüten der optischen Oberflächen zu reduzieren.In Figure 4, the assemblies of Figure 1 are shown as examples with individual elements. The giant impulse tube 10 consists of retonator mirrors 11, 15, the laser rod 14 with a flash lamp arrangement 13 for optical pumping and the active or passive Q-switch 12. The latter can be combined with the end mirror 11 to form one element, for example in the form of a rotating prism or mirror. The proposed embodiments use a slightly spherically curved dielectric end mirror to reduce the stability requirements for the laser resonator and a plane-parallel plate as output mirror 15 because of its suitability for longitudinal mode selection. For the focusing 16, 17 of the Raman generator 30 or for the collimation arrangement, one imaging element is often sufficient. The special focusing requirements for optimal self-focusing of the pump laser radiation or requirements for the beam parameters of the Raman emission can, in conjunction with the requirements for the overall length, lead to more complex designs 16, 17 or 19, 20. The windows of the Raman cuvette are arranged tilted in the beam path, unless they are completely eliminated by integration with focusing and collimating elements, in order to avoid disturbing back reflections. It is also recommended to reduce transemission losses by suitably coating the optical surfaces.

Die Zusa; itient ässung von Bauelementen zu kompakten Baueinheiten ist in Fig. 5 aue Gründen dar leichteren Verständlichkeit flieht ieiehnerisöh dargestellt.The combination of components to form compact units is shown in detail in Fig. 5 for reasons of easier understanding.

Claims (11)

J«. ..» nt* Nürnberg, den 21. März 1988 Reg.Nr. 29344 SchutzansprUcheiJ«. ..» nt* Nuremberg, 21 March 1988 Reg.No. 29344 Claims 1. Laservorrichtunn mit Emissien im infraroten SpöUtfaibereich mit einem Rieeenimpulalaaer, der aus Laaerreeonator, optiach gepumptem Lasermedium und Güteschalter besteht» und einem Ramangenerator, der ein ramanaktives Medium besitzt, welches durch die mit Hilfe von Fokusaierelementen gebündelte Laserstrahlung des Riesenimpulslaser anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß1. Laser device with emissions in the infrared wavelength range with a giant pulse laser, which consists of a laser resonator, optically pumped laser medium and Q-switch» and a Raman generator, which has a Raman-active medium, which can be excited by the laser radiation of the giant pulse laser bundled with the aid of focusing elements, characterized in that a. als ramanaktivea Medium eine Flüssigkeit in einer kurzen Küvette (1&THgr;) mit einer Länge von weniger als 30 cm vor_; handen ist,a. the Raman-active medium is a liquid in a short cuvette (1Θ) with a length of less than 30 cm _, b. eine Einrichtung zur optischen Seibat fokussierung des eingestrahlten Laaerbündels vorhanden und mittels einer entsprechend großen Materialkonstante des optischen Kerreffekts eine kurzzeitige Intensitätserhöhung im Ramanmedium einstellbar ist,b. a device for optical Seibat focusing of the incident laser beam is available and a short-term increase in intensity in the Raman medium can be set using a suitably large material constant of the optical Kerr effect, c. eine Einrichtung zur frequenzverachobenen Ramanemiasion mit hoher Leistungskonversion von mehr als 10% vorhanden ist undc. a facility for frequency-shifted Raman emesion with high power conversion of more than 10% is available and d. eins optische Kollimationsanordnung (31) zur Einstellung von Bündeldurchmesser und -Divergenz vorhanden ist.d. an optical collimation arrangement (31) is present for adjusting the bundle diameter and divergence. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Anpassung der Kerrkonstanten dee Ramanmediums für optimale Ramankonversion und Verkürzung durch Mischung verschiedener Flüssigkeiten vorhanden ist.2. Device according to claim 1, characterized in that a device for adjusting the Kerr constant of the Raman medium for optimal Raman conversion and shortening by mixing different liquids is present. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Einrichtung zur optischen Selbdtfokusaie-3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that by a device for optical self-focusing rung die Impulsdauer der erzeugten Ramanemiasion gegenüber
de«,' Laserstrahlung um mindestens den Faktor 3 verkürzbar
ist.the pulse duration of the generated Raman ion compared to
de«,' Laser radiation can be shortened by at least a factor of 3
is. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daO eine Einrichtung zur Einstellung einer bestimmten Emissionswellenlänge, beispielsweise im augensicheren Spektralbereich, durch Auswahl der ramanaktiven Flüssigkeit vorhanden ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a device is provided for setting a specific emission wavelength, for example in the eye-safe spectral range, by selecting the Raman-active liquid. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die FlüssigkeitskUvette zur Erzielung unterschiedlicher Emissionswellenlängen austausbar ist.5. Device according to claim 4, characterized in that the liquid cuvette is interchangeable in order to achieve different emission wavelengths. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits-Küvette(n) mit den Fokus-Bierelementen und/oder mit einem oder mehreren Teilen der
Kollimationsanordnung (31) zu einer kompakten Einheit zusammengefaßt sind.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the liquid cuvette(s) with the focus beer elements and/or with one or more parts of the
Collimation arrangement (31) are combined to form a compact unit. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß geeignete Auskoppelelemente zur Verwendung der Ramanemission in Rückwärtsrichtung anstelle von oder zusätzlich zur Ramanemission in Vorwärtsrichtung vorhanden
sind.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that suitable coupling elements for using the Raman emission in the backward direction instead of or in addition to the Raman emission in the forward direction are present
are. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von intensiver Ramanemission &bull;in kurzer Laserresonator mit einer optischen Weglänge zwischen den Spiegeln (11, 15) von weniger als 30 cm und/oder
ein Frontspiegel des Riesenimpulslaeer mit hohem Auskoppel' grad vorhanden sind.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that for the generation of intensive Raman emission &bull;in a short laser resonator with an optical path length between the mirrors (11, 15) of less than 30 cm and/or
a front mirror of the giant impulse laser with a high output coupling is available. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Ramanemission eins9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that to improve the Raman emission, a die Fiequen£L*.eite des Riesenimpulaea einengende pianparalle-Ie Platte als Auskoppelspiegel (15) vorhanden ist·the plane-parallel plate narrowing the angle of the giant impulse is present as an output mirror (15) 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Ausgangsleistung des Ramangenerators eine Blende! bzw. Bauteile des Riesenimpulslasers mit Blendenwirkung zur transversalen Modenselektion zur Verbesserung des Bündelpro Ti Is des Riesenimpulslasers vorhanden sind.10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that, in order to increase the output power of the Raman generator, a diaphragm or components of the giant pulse laser with a diaphragm effect for transverse mode selection to improve the beam profile Ti Is of the giant pulse laser are present. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Ausgangsleistung des Ramangenerators eine oder mehrere Laserverstärkerstufen in dem Strahlengang zwischen Riesenimpulslaser und Ramangenerator angeordnet sind.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that in order to increase the output power of the Raman generator, one or more laser amplifier stages are arranged in the beam path between the giant pulse laser and the Raman generator.