DE1906537A1 - Laser - Google Patents

Description

Patentanwälte;

rngLZimnierrnaatt IQfIR ς

MSneitera 2, Rösentaf 7 1 3 U O O J /

IeI 2619 8ft

Gompagnie/ Ginfrala d^Efteofcrloite;» Paris fFrankreich)

Läse r

Βϊβ Ea?flndmie betrifft Gael»ser und insbesoniere Konomo&e-Laser großer Leistung.

Bs tafe bereits ein; VerfahceR stur Erzeueirag; eines Monomo<te-I*serStrahls großer Leistung bekannt, das darin besteht, daß zwei von drei Spiegeln gebildete Laser-Eohlraunresonatoren sehr untersohledltoher Resonanslängen attelnander gekoppelt werden·

Die gesamte Ausgangsenergie eines Gaalasers ist Ik wesentllohen proportional zur IAnge der erregten Gas säule j die Verteilung dieser Energie in Abhängigkeit τοη

909838/1256

der Frequenz de« Strahlung; Is*- durch eine Kurve Gaus®*™ scher Form, das sogenannte Dopplerprofil, gegeben· Fer-ner ist es bekannt, daß In einem optischen Hohlraumresonator der Länge L nur eine endliche Anzahl an Schwingung smode η bestehen kann, die frequenzmäflig um einen= Betras Δ. f * der durch die Formell Δ £ = C/2E gegebeii Ist,---voneinander getrennt; sind· Um eine fröne Äusgangsenerglezu erreichen, muß demnach; ein Hohlraumresonator mit gro> ßer Länge verwendet werden» Diese Xänge hat Jedoch das?, JLufftreten einer zlemlicii großen Menge von Schwingung«)-= moden zur Folge, die frequenzmäfiig um einen äußerst geringen Betrag voneinander entfernt sind« Beispielsweise Deträgt die Dopplerorette feel einem Heliunt-iieon-ieser' mit einer Strahlung von 6328 £ ungefähr looo; MHk. Bei einem Laser, dessen Höhlraumresonator eine Länge von 1 ,So m besitzt, Deträgt die Frequenzdlstenz^ zwischen Moden ZSt f = GfZL & loo ΜΗϊε· Im besonderen Fall, eine« Lasers j dessen Dopplerprofll. eine Breite^ vott Ιοοχϊ MHk hat, können mindestens! Io Moden, in der Laseraussendung auftreten.

bisher bekannten ¥orrlchtungeni. zur- Erzeugung' von= Monomode-Lasern großer Eelstung: wurdem bisher? nur: zui Laborzwecken hergestellt und haben keinerlei industrielle Bedeutung;·

Ziel der Erf Indung; leit em_m elneni Industriell verwena»- baren Mbnomode-Laser hoher¹ Eeltung: zu? schaff en» der un~ ter gerlngpni Kosten, leicht hergestellt und unterhalten, ■ ohne; StehwlerigkelteÄ von· elnemi Mchtfachmann; benutzt werdem kann, und nicht dia Nachteile) der¹ Eaborlaser·

-3-

Gegenstarid der Erfindung ist ein Monomode-Leistungslaser mit zwei miteinander gekoppelten HohlraumreSenatoren,der Insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein Laserrohr, von dem mindestens ein Ende durch eine im Brewsterwinkel angeordnete Platte geschlossen ist, und ein an diese Platte anschließendes prlsmenfSrmiges Teil "besitzt, das mit zwei Kanälen versehen ist * von denen der eiste in der Verlängerung des In dem Laserrohr vorgesehenen Kanals liegt und an seinem freien Ende durch einen totalreflektierenaen Spiegel geschlossen 1st, und von denen der zweite In einer durch den ersten Kanal und eine auf die Platte senkrechte Gerade bestimmten Ebene angeordnet ist, wobei der von dem ersten und dem zweiten Kanal gebildete Winkel durch eine mindestens teilweise reflektierende Fläche geschlossen 1st·

Gemäß einer anderen Ausftihrungsform der Erfindung 1st der Monomöde-Laser insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserrohr an einen seiner Enden eine Brewsterplatte besitzt, an welcher ein prismenförmlges Teil mit zwei Kanälen vorgesehen 1st, von denen der erste in der Achse des Laserrohrs angeordnet und an dem der Brewsterplatte entgegengesetzten Ende durch einen totalreflektierenden Spiegel geschlossen ist, und von denen der zweite In einer Richtung verläuft, die der Sichtung eines von dem Laserrohr kommenden Lichtstrahls entspricht, der die. Brewsterplatte durchquert hat und an dem totalreflektierenden Spiegel zum ersten Hai und an der Brewsterplatte. zum zweiten.Mal reflektiert wurde, und durch einen weiteren,, totalreflektierenden Spiegel geschlossen 1st. In einem derartigen Laser wird der Ausgang des Lichtstrahls durch einen Kanal gebildet, der sich In der

Verlängerung dieses zweiten Kanals auf der anderen Seite der Brewsterplattebefindet. " ~ ΐ

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Laserrohr von einem einzigen rohrförmigen Teil beispielsweise aus geschmolzenem Quarz oder Silizium gebildet 1st.

Dieses Laserrohr 1st erflMungsgemäS von einem,, zentralen Rohr gebildet, das an mindestens einer Seite durch ein Endrohr verlängert 1st. Diese beiden Rohre werden miteinander verbunden, Indem ihre Endflächen, dl ©'sphärisch ■ _v (konvex oder konkav) gekrümmt sind, in gegenseitigen Kontakt gebracht werden· Auf diese Weise erhält man eine Art Kugelgelenkverbindung. ,.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin„ daß 7 mindestens eine der Brewsterplatten an .dem; Laserrohr ν durch eine Kugelgelenkanordnung angebracht ist. . _.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist auch das prismenformige Teil an der Brewsterplatte durch eine .. Kugelgelenkanordnung montiert·

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist mindestens einer der Spiegel lan dem prismenformigen Teil Über einen Transduktor montiert, der zweckmäßigerweise aus einer — piezoelektrischen Keramik bestehen

Erfindungsgemäß 1st ferner das andere Ende des Laser- .;. fohrs mit einer Bliewsteipiatte versehen, wobei ein tör talieflektlerender Spiegel den Hohlraumresonator dee Lasers verschließt. Dlesea* Spiegel igt am Ende einer Muffe

befestlgt» die Ihrerseits an dem Rohr so befestigt ist, daß der Raum zwischen der Brewsterplattθ und dem Spiegel praktisch von dem den Laser umgebenden Medium Isoliert ist·

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß diese Muffe einen Transduktor aus piezoelektrischer Keramik bildet.

Auf diese Weise erhält man eine starre Anordnung, die Industriell leioht herstellbar ist und bequem bedient werden kann, ohne daß die dem Laser Innewohnenden Charakteristiken sich ändern.

Diese Anordnung hat außerdem den Vorteil» daß der optische Hohlraumresonator des Lasers sowie der Winkelresonator ohne Schwierigkeiten ausgerichtet werden können. Der Winkelresonator ist durch die Flächen des prismenförmlgen Teils, die in durch die geometrische Optik be- stimmten Winkeln bearbeitet sind, endgültig festgelegt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen 1st· Auf dieser Zeichnung zeigen»

Fig. 1 einen eehematischen Schnitt, der die Arbeltswelse des Monomode-Lasers hoher Leistung mit zwei Hohlraumresonatoren veranschaulichte

Fig. 2 einen sohematlachen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Laser·

008826/1256

Pig · 3 einen Schnitt in größerem Maßstab durch eine Einzelheit des erfindungsgemäßen Lasers·

Fig. ¹V eine abgewandelte Ausftihrungsf orm eines erfIndungsgemäßen Lasers.

Auf Fig_β i igt das Arbeitsprinzip eines gegenwärtig bekannten Laborlasers schematisch dargestellt. Dieser Laser besitzt zwei Hohlraumresonatoren,,die von drei Spiegeln KL, M₂ und M« gebildet werden, wobei ein Resonator von den Spiegeln M^ und M« und der andere Resonator von den Spiegeln M₂ und M« und der halbtransparenten Platte Äjj, gebildet wird.

Bekanntlich 1st die Ansprechkurve eines von zwei Spiegeln gebildeten Pirot-Fabry-Resonators eine regelmäßige Reihe von Spitzen, die jeweils um die halbe Wellenlänge der betrachteten strahlung voneinander entfernt sind.

Wenn die Reflexionskoeffizienten der Spiegel M₂ und Mg sehr nahe bei 1 liegen, so ist die Breite der Spitzen der Ansprechkurve des von diesen Spiegeln gebildeten Hohlraumresonators sehr gering. Diese Breite - als Frequenz dargestellt - 1st geringer als der Frequenzabstand der möglichen Moden des geradlinigen, von den Spiegeln M₁ und M« bestimmten Hohlraumresonators· Mithilfe der beiden Resonatoren, die einen gemeinsamen Abschnitt besitzen, können die Wirkungen der beiden Resonatoren

einander tiberlagert warden und kann ein spezieller Mode in dem Dopplerprofil des von dem Resonator M-^Mo gebildeten Lasers ausgewählt werden»

Um den Mode mit der höchsten Leistung zu erreichen, steuert man die Länge des Resonators Mg-M« so, daß einer seiner Durchlaßbereiche dem Mode entspricht, dessen Leistung am größten 1st· Dieser Mode befindet sich im allgemeinen in der Mitte des DopplerprofIls.

Auf Fig* 2 1st ein Ausführungsbeisplel eines erfindungsgemäßen, industriell verwendbaren Lasers im Schnitt schematisch dargestellt. Dieser Laser besitzt ein Rohr 1, in dem eine Kapillare 2 vorgesehen 1st. An Jedem der Enden des Rohres sind Blasen 3 und 3¹ vorgesehen, die Elektroden b bzw. >* enthalten und über Kanäle 5 und 5* mit der Kapillare 2 verbunden sind.

Die Endflächen 6 des Rohrs 1 sind sphärisch (auf Fig. 2 konvex) gekrümmt*

An einem Ende, vorzugsweise auf der Seite der Anode, 1st ein zylindrisches Teil 7 vorgesehen, dessen eines Ende so bearbeitet ist, daß es an der Endfläche 6 des Rohrs 1 satt anliegen kann; man erhält auf diese Welse ein Kugelgelenk. Das andere Ende 8 dieses Teils 7 ist eben und bildetr,mit dem den Kanal 2 des Rohrs 1 verlängernden Kanal Io reinen BreWsterwlnkel. per Kanal Io ist durch eine transparente platte 9 geschlossen.

-8-

90 98 3 8/1256

Ferner 1st In dem Teil 7 ein zweiter Kanal 11 vorgesehen, der mit dem anderen Kanal to einen Winkel bildet, der das 2-fache des Brewsterwinkels ist. Der Kanal 11 1st In der Ebene des Kanals Io und einer zu der Platte 9 senkrechten Geraden angeordnet. "

Die Kanäle Io -and 11 sind so ausgebildet, daß Ihre Achsen In einem Punkt einer Seite 13 der platte 9 zusammenlaufen, die nicht mit dem Teil 7_s in Berührung steht,Diese Seite 13 ist mit einer halbreflektierenden Schicht bedeckte deren Reflexionskoeffizient etwa o,5 bis o,7 beträgt. Zum Schutz des Kanals Il gegen die Außenluft ist dieser durch eine Platte 12 geschlossen, die für die betreffende Laserstrahlung durchlässig ist.

An der Seite 13 der Platte 9 ist ein prismenfSrmiges Teil !^vorgesehen, das ebenfalls zwei Kanäle besitzt· Ein erster Kanal 15 befindet sich in der Verlängerung des Kanals 2 des Rohrs 1 und der zweite Kanal 16 ist in der Achse des Kanals 11 vorgesehen, so daß die Kanäle 2, 11, 15 Und l6 in einem Punkt zusammenlaufen. Die Kanäle 15 und 16 sind durch totalreflektierende Spiegel 17 undI8 geschlossen. Der Spiegel 18 kann an dem Teil I^ über ein piezoelektrisches Keramikelement 19 angebracht sein, wodurch die Länge des von den Spiegeln 17» 13 und 18 gebildeten Hohlrawaresonators gesteuert werden kann. '

Am anderen Ende des Laserrohrs - auf der Seite der Katode - ist das Rohr 1 durch eine Brewsterplatte geschlossen und besitzt einen Heflektor, der aus eines spiegel 21 gebildet ist§ dieser Spiegel ist auf einer Muffe 22 mon-

-9-

909833/1256

tiert, die aus piezoelektrischer Keramik bestehen kann» Diese Reflektorvorrichtung kann auf einem Teil 23 montiert sein, das ähnlich wie das Teil 7 ausgebildet ist und eine ein Kugelgelenk bildende sphärische Fläche besitzt, die an der Fläche 6 des Endes des Rohrs 1 satt anliegt.

Alle für den Bau eines derartigen Lasers verwendeten Elemente bestehen im allgemeinen aus geschmolzenem Quarz. Sie können miteinander verklebt oder aweekmäßlgerweise mittels eines Laserstighls miteinander verschweißt werden, so daß der fertige Monomode-L&ser eine höhere Festigkeit erhält·

Auf Fig. 2 ist nur eine spezielle Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasers dargestellt. Zur Vereinfachung der Herstellung und insbesondere zum Ausrichten der Teile des Hohlraumresonators kann die Brewsterplatte 9 an dem Rohr und das prlsmenförmlge Teil 14, das hierbei leicht sphärisch gekrümmte Flächen besitzt, an den Rändern montiert werden, so daß alle Teile gegenseitig verschwenkbar sind.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können anstelle der sphärisch gekrümmten Flächen 6 ebene, zur Achse der Kapillare 2 aenkreehte Flächen vorgesehen sein· In diesem Fall kann die Einstellung der Spiegel 21, 1? und 18 einzeln durch beliebige bekannte Mittel vorgenommen werden· Gegebenenfalls kann auch der Spiegel 17 ebenso wie die Spiegel 18 und 21 von einer Muffe aus piezoelektrischer Keramik getragen sein.

909838/1256

Die Muffen aus piezoelektrischer Keramik.22,,19 oder 19* (Figo 3) können mit elastischen Elementen 25 und 26 (auf Fig. 3 schematisch dargestellt) versehen sein,.welehe die Einstellung der Spiegel gestatten.

einer besonderen Ausftihrungsf orm kann ein Laserrohr verwendet werden* dessen Abmessungen beispielsweise L2 + Ll » 1,5 M, Ll + L3 -» 8 em sind, wobei die Reflexionskoeffizienten der Spiegel 21» l8 und 17 gleich 1 sind und die Brewsterplatte 9 ©inen Übertragung«- und Reffexionskoeffizient von o_f5 besitzt. Auf diese Welse erhält man einen Monomode-Laserstrahl hoher Leistung, dessen Energie ungefähr 15 mW beträgt.

Die zur änderung des Abstandes der Spiegel dienenden Teile aus piezoelektrischer Keramik können mit zwei Metallelektroden 2k und Zk* versehen sein, die mit einem Signalerzeuger 2? verbunden sind· Dieser Signalerzeuger wird von einem Informatlonsbehandlungskrels 28 gesteuert, dessen Eingang mit dem Ausgang eines in dem aus dem Kanal Ii austretenden Laserstrahl angeordneten Detektors verbunden,ist. Dieser elektronische Zusatzkreis gestattet die Einstellung der verschiedenen Parameter des-er-" fladungsgemäßen Honomode-Lasers sowie dessen stabil!- "■ sierung·

Anstelle oder zusammen mit der Steuerung des Spiegels 21 (FIg. 2) kann auch die Stellung der Spiegel 1? und l8 gesteuert werden (vgl. Flg. 3)·

-11-

909838/1256

Auf Fig· 4 1st eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt·³ Hierbei wird eine bereits vorhandene lageranordnung verwendet,die von einem s©nematisch dargestellten Laserrohr 3o gebildet wird und mit zwei im Brewsterwinkel angeordneten Bndflächen 31 und 32 versehen ist· Dieser laser 1st in einem von zwei Spiegeln 33 und 3^ gebildeten Hohlraumresonator angeordnet. Durch Einsetzen eines Elements zwischen das Bohr Jq und beispielsweise den spiegel 33 wird dieser Laser in einen Monömode-Laser hoher Leistung umgeformt·

Dieses Element ist ähnlich wie das auf den Pig· 2 und 3 dargestellte Element ausgäLldet· Die Platte 9 dieses Elements kann an die Platte 31 des Lasers 3o angeklebt sein oder an deren Stelle treten, indem sie an das Rohr 3° selbst angeklebt oder angeschwelßt^rird·

Bei der auf Fig. 4 dargestellten Ausführungsform können ferner alle anhand von Fig. 2 und 3 beschriebenen Zusatzsteuereinrichtungen vorgesehen sein.

Die Erfindung ist keineswegs auf die obenbeschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt«Insbesondere sind Änderungen von Einzelheiten und Anordnungen abglich oder können manche Einrichtungen durch gleichwertige Einrichtungen ersetzt werden·

■•12*

90 983 87 US6

Claims (2)

1. Patentanspruch

   ' 1.) Monomode-Leistungslaser, bestehend aus einem ein Xaserrohr enthaltenden und durch einen ersten und einen zweiten Spiegel begrenzten, ersten, linearen Ferot-Pabry-Hohlraumresonator, und einem von dem ersten SpIe-* gel und einem dritten Spiegel gebildeten zweiten Hohl-* raumresonator, der mit dem ersten Hohlraumresonator über eine in dessen Achse vorgesehene halbreflelctierende Platte gekoppelt ist, dadurch ge kenn zeichnet, daß die halbreflektierende Platte (9) in dem ersten Hohlraumresonator (17, 21j 33, 3^) durch ein prismenförmiges Teil (1*0 jnit zwei Kanälen (15,16) im Brewsterwinkel gehalten ist, von denen der erste (l5) in der Verlängerung des Kanals (2) des Laserrohrs (1) angeordnet 1st, von denen der zweite (16) den Abschnitt des zweiten, an dem dritten Spiegel 0.8) anliegenden Resonators (17» l⁸» 9) zur Achse hat und deren Achsen auf die halbreflektierende Platte (9) zu konvergieren.
2. 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η.■->-- ζ e i ch η e t, daß der erste oder der dritte spiegel an dem prismenförmigen Teil (Ik) befestigt ist·

   3· Laser nach Anspruch I₉. dadurch ge k e η η ζ eich η e t, daß der erste oder der dritte Spiegel an dem prismenförmlgen Teil (1*0 über einen plezoelek-:/ trischen Transduktor (19» 19*) befestigt ist. ; -^hjS-

   k» Laser nach Anspruch 3» dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Transduktor (19, 19¹) an den

   -13-

   909838/T256

   19Ö6537

   Ausgang eines Generators (2?)

   schlossen, 1st, dlevvon elra

   vorrichtung ί(28|f-mit einemi invder.Bahn: mindestens^ ei- _r nes; Teils des a^strBten^en iÄser^ferahits

   5« laser nach Anspruch 1, dadurch. g β k e η η ze lohnet* , daß die an dem· prlsmenförmlgen Teil (l*0 angeordnete halbreflektierende Platte (9) am Ende des Laserrohrs (1) angebracht 1st» welches ferner ei nen In der Verlängerung des zweiten Kanals (16) vorgesehenen Kanal (11) zum Austritt des Strahls besitzt.

   6, ■ Iesep; nach* Anspruch^^ dadurch^ g^e fcve. nvn ζ e; i oh η ^e t , daß, der Kanal.*: (11) zumjAttstätpt des Strahls durch eine lmABtee^stei^ink^l^^ te

   7* . Laser »)^ch Anspruch 1, dadiMioh;, g e k e η η zeich η e t » daß die halbreflektierende Platt e (9) die Austrittsplatte des Laserrohrs (1) bildetν «

   β* Laser nach; Anspruch Λ_Λ dadurch^ ge kenn ζ el c h η e t _r daß das Laserrohr (l) an mindestens einer Stelle (6} mit dem tlbrlgen Körjieri des Laserrohrs kugelgelenkartlg verbünden ist» "as ^dIe Winkeleinstellung, der Spiegel (i7y 18, 21) der_;