DE4311454A1 - Raman-Laser - Google Patents

Description

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

Ein Raman-Laser zur Erzeugung von Laserstrahlung in einem "augensicheren" Wellenlängenbereich ist bereits aus der EP 0 199 793 bekannt. Der dort beschriebene stabile Pumplaser- Resonator des Nd:YAG-Pumplasers liefert Laserstrahlung im Multi-Mode-Betrieb, d. h. es ist keinerlei transversale Modenselektion vorgesehen. Die daraus resultierende, wenig vorteilhafte Strahlqualität des Pumplasers wirkt sich negativ auf die Fokussierbarkeit des Pumplaser-Strahles in die Ramanzelle aus. Die dort induzierte Raman-Strahlung weist außerdem eine hohe Strahldivergenz auf. So resultiert bei einer Pumplaser-Divergenz von 2 mrad etwa eine Divergenz der induzierten Ramanstrahlung in der Größenordnung 6 mrad. Für die Anwendung eines derartigen Lasers in einem Entfernungsmeßgerät hat dies u. a. als Nachteil zur Folge, daß eine aufwendige Sendestrahlengang- Optik mit großen Durchmessern erforderlich ist.

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. TEMoo-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 baut 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.

Die Vorteile des instabilen Pumplaser-Resonators mit einem Auskoppelspiegel mit radial-abhängigem, stetig verlaufenden Reflexionsprofil, insbesondere die gute Strahlqualität und die daraus resultierende gute Fokussierbarkeit wirken sich günstig auf die Qualität der induzierten Raman-Strahlung aus. Im Vergleich zu konventionellen instabilen Resonator- Geometrien ist bereits im Nahfeld ein glattes und kompaktes Strahlprofil ohne größere Nebenmaxima zu realisieren, d. h. nahezu Betrieb im TEMoo-Mode bzw. eine Strahlqualitäts­ kenngröße M² des Pumplaser-Strahles in der Größenordnung 1-1.3.

Im Vergleich zu stabilen Pumplaser-Resonator-Geometrien ist desweiteren 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 klein bauende Anordnung, da bereits bei relativ kurzer Resonatorlänge die gewünschte transversale Modenselektion erfolgt. Damit ist ein kompakter Geräte- Aufbau, beispielsweise in einem elektro-optischen Ent­ fernungsmeßgerät 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.

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

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 TEMoo-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 TEMoo-Fall normiertes Produkt aus Strahltaille Xo und Fernfeld-Divergenz R:

M² := (<Xo²<<R²</<Xoo²<<Ro²<)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. 993-1000" der ISO (International Standardization Organisation) über einen experimentellen Aufbau ermitteln durch:

M² = (π * D_L * D_F/4 * α * F),

wobei:

D_L : Strahldurchmesser vor einer Fokussierlinse,
D_F : Strahldurchmesser in Brennebene der Fokussierlinse,
α : Wellenlänge
F : Brennweite der Fokussierlinse.

Die Strahlqualitätskenngröße M² kann als invariante Größe verstanden werden, die den Laserstrahl charakterisiert. M² = 1 bedeutet dabei Betrieb im TEMoo-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 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Raman-Lasers beschrieben, 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 nach 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 (12) 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-TEMoo-Mode bzw. eine Strahlqualitätskenngröße M² im Bereich 1-1.3 garantiert ist.

Der Pumplaser-Strahl (33) der Wellenlänge 1,064 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 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 desweiteren 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) rückreflektierte 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 5 = 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 seperate 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) = Ro * exp (-2 * (r/a)^m)

genügt, wobei R die Reflektivität und r die radiale Koordinate bezeichnet. Ro ist der Maximalwert der Reflexion, der Parameter m bestimmt die jeweilige "Flankensteilheit", a bezeichnet den Reflexionsprofil- Radius, bei dem die Reflektivität auf Ro/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 Ro 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 (18)

1. Raman-Laser, bestehend aus

• - einem Pumplaser mit instabilem Pumplaser- Resonator, wobei der Pumplaser-Resonator Laserstrahlung nahezu im TEMoo-Mode liefert,
• - mindestens einem Fokussierelement (6, 26, 56), zum Fokussieren des Pumplaserstrahles (8, 33, 41),
• - einer Ramanzelle (5, 25, 55), in die der Pumplaserstrahl (8, 33, 41) fokussierbar ist,
• - sowie mindestens einem Ramanreflektor (11, 30, 45, 54), der die in Richtung Pumplaser rückreflektierte Raman-Strahlung (10, 31, 42, 52) wieder in Richtung Ramanzelle (5, 25, 55) umlenkt.

2. Raman-Laser nach Anspruch 1, wobei der Pumplaserstrahl (8, 33, 41) eine Strahlqualitätskenngröße M² zwischen 1 und 1.3 aufweist.

3. Raman-Laser nach Anspruch 1 oder 2, wobei der instabile Pumplaser-Resonator einen Auskoppelspiegel (3, 23) mit einem stetig verlaufenden, radial­ abhängigen Reflexionsprofil für die Pumplaser- Wellenlänge umfaßt.

4, Raman-Laser nach Anspruch 3, wobei der Pumplaserstrahl (8, 33, 41) in einen primären Raman-Fokus (34, 40, 50) fokussierbar ist, die vom Ramanreflektor (11, 30, 45, 54) rückreflektierte Raman-Strahlung (10, 31, 42, 52) in einen sekundären Ramanfokus (34, 40, 50) fokussierbar ist und primärer und sekundärer Ramanfokus (34, 40, 50) in der Ramanzelle (5, 25, 55) zusammenfallen.

5. Raman-Laser nach Anspruch 4, 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 Ramanfokus (34) erfolgt und des weiteren ein vor dem Austrittsfenster der Ramanzelle (25) angeordnetes zweites optisches Korrekturelement (32) angeordnet ist, das entlang der optischen Achse verschiebbar ist und ein Kollimieren der emittierten Raman-Strahlung ermöglicht.

6. Raman-Laser nach Anspruch 4, 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 derart dimensioniert ist, daß der Pumplaserstrahl (41) in den sekundären Raman-Fokus (40) fokussierbar ist und der Ramanreflektor (45) eine plane Oberfläche aufweist, die dem Fokussierelement (26) zugewandt ist und für die Raman-Wellenlänge hochreflektierend wirkt.

7. Raman-Laser nach Anspruch 6, wobei der Ramanreflektor auf der planen, dem Fokussierelement zugewandten Seite des optischen Korrekturelementes angeordnet ist.

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

9. Raman-Laser nach Anspruch 8, wobei der Parameter m zwischen 2 und 7 liegt.

10. Raman-Laser nach Anspruch 8, wobei Ro zwischen 30% und 50% liegt.

11. Raman-Laser nach Anspruch 8, wobei das Reflexionsprofil des Pumplaser-Auskoppelspiegels (3, 23) aus einer aufgedampften Ta₂O₅-Schicht besteht.

12. Raman-Laser nach Anspruch 3, wobei zwischen dem Pumplaser und dem Fokussierelement (6) ein Kollimationselement (4) angeordnet ist, das eine Kollimation des Pumplaserstrahles (8) bewirkt und auf dessen, dem Fokussierelement (6) zugewandter Seite eine Beschichtung angeordnet ist, die als Raman- Reflektor (11) wirkt.

13. Raman-Laser nach mindestens 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.

14. Raman-Laser nach Anspruch 13, wobei der Auskoppelspiegel (23) des Pumplasers an einem Ende des stabförmigen Nd:YAG-Kristalles (1, 21) angeordnet ist.

15. Raman-Laser nach Anspruch 14, 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 und 4 m liegt.

16. Raman-Laser nach Anspruch 15, wobei die 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.

17. Raman-Laser nach mindestens 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 1,540 µm liefert.

18. Raman-Laser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, angeordnet in einem elektrooptischen Entfernungsmeßgerät.