DE69300953T2 - Selbstausrichtender Intrakavitätsramanlaser. - Google Patents

Description

HINTERGRUND
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Laser, und insbesondere auf einen selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlaser.
• Das an den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragene U.S. Patent 4 933 943 offenbart einen Drei-Spiegel- Intrakavitäts-Laser, der annehmbare Strahlqualität und Ausgangsenergle liefert, aber inherente Probleme beim Ausrichten der drei Spiegel besitzt, die darin enthalten sind. Das Design des Intrakavitäts-Resonators des U.S. Patents 4 933 943 beinhaltet einen Resonator, der drei flache Spie gel aufweist, und diese Spiegel sind in der Praxis sehr schwer auszurichten und ausgerichtet zu halten. Insbesondere ist dieses Ausrichtungsproblem eine Quelle von Bedenken hinsichtlich der Herstellbarkeit und der Verläßlichkeit von Produktionslasern, die das Design des Intrakavitäts Resonators verwenden.
• Genauer gesagt, manifestieren sich im Design dieses Intrakavitäts-Resonators Ausrichtungsprobleme auf verschiedene Arten und Weisen, einschließlich der folgenden. Eine Fehlausrichtung der drei Spiegel über 100 urad hinaus kann in einer rauhen militärischen Umgebung auftreten, was eine Verschlechterung und Strahlschwenkung des Laserausgangsstrahles bewirkt. Verkanten des Stabes infolge thermischer Effekte bewirkt Fehlausrichtung, demgemäß die Pulswiederholungsfreguenz des Lasers begrenzt wird. Die Ausrichtung des Lasers erfordert Spezialwerkzeug, einschließlich einem Interferometer oder Autokollimator, und einen geübten Techniker, was die Herstellungskosten erhöht. wegen der Ausrichtempfindlichkeit werden im Laser optische Ausrichtkeile und eine schwere, starre optische Bank verwendet, was die Produktionskosten des Lasers weiter erhöht.
• Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Laser bereitzustellen, der selbstausrichtend ist und somit die oben angeführten Probleme auf das Mindestmaß herabsetzt.
KURZFASSSUNG DER ERFINDUNG
• Um die obigen und andere Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlaser bereit, der einen Pumpresonator und einen Ramanresonator aufweist. Der Pumpresonator weist einen Laserstab und eine Pumpvorrichtung wie beispielsweise eine Blitzlichtlampe auf, die als eine Pumpquelle verwendet wird, die in der Nachbarschaft des Laserstabes angeordnet ist, um Energie in den Laserstab hinein zu pumpen. Gemäß der Erfindung wie in Anspruch 1 definiert, ist ein erster Retroreflektor an einem Ende des Pumpresonators angeordnet, und ein Ausgangsspiegel ist an einem gegenüberliegenden Ende des Pumpresonators angeordnet. Ein Q-Switch, ein dichroitischer Spiegel und ein Prisma sind zwischen dem Laserstab und dem Ausgangsspiegel angeordnet. Der Pumpresonator ist dafür ausgelegt, Pumpenergie bei einer ersten Wellenlänge (1,06 um) zwischen dem ersten Retroreflektor und dem Ausgangsspiegel abzustrahlen.
• Der Ramanresonator weist eine Ramangaszelle mit ersten und zweiten an deren gegenüberliegenden Enden angeordneten Linsen, um Laserenergie in die Ramanzelle hinein zu fokussieren, auf, und einen zweiten Retroreflektor, der ein Ende des Ramanresonators bildet, wobei der Ausgangsspiegel ein gegenüberliegendes Ende des Ramanresonators bildet. Der dichroitische Spiegel und das Prisma sind zwischen dem zweiten Retroreflektor und der ersten Linse angeordnet. Der Ramanresonator ist dafür ausgelegt, Ramanlaserenergie bei einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge (1,54 um) zwischen dem zweiten Retroreflektor und dem Ausgangsspiegel abzustrahlen.
• Typischerweise weisen die ersten und zweiten Retroreflektoren jeweils einen Winkelkubus (corner cube) auf. Der dichroitische Spiegel ist im wesentlichen im 45º-Winkel in bezug auf die optische Achse des Lasers ausgerichtet, die durch eine senkrecht auf dem Ausgangsspiegel stehende und auf die jeweiligen Stirnflächen des Laserstabs zentrierten Linie definiert wird. Typischerweise sind die ersten und zweiten Linsen plankonvexe Linsen. Der Q-Switch kann eine Farbstoff-imprägnierte Acetatfolie, die zwischen Glasplatten eingeschlossen ist, aufweisen, wobei die Farbstoff- imprägnierte Acetatfolie eine optische Dichte von ungefähr 0,42 besitzt. Der dichroitische Spiegel kann so beschichtet sein, daß er hochreflektiv für Laserenergie der Wellenlänge 1,06 um und hochdurchlässig bei Laserenergie der Wellenlänge 1,54 um ist.
• Ein anderer selbstausrichtender Intrakavitäts- Ramanlaser gemäß der Erfindung ist in Anspruch 12 definiert.
• Die vorliegende Erfindung ist äußert unempfindlich gegenüber Fehlausrichtung und weist eine für das Auge ausgesprochen ungefährliche Ausgangsenergie und Strahldivergenz ähnlich wie der im U.S. Patent 4 933 943 beschriebene Intrakavitäts-Ramanlaserresonator auf. Im Vergleich zu den ziemlich schwierigen Ausrichtungsproblemen des oben zitierten Lasers, kann bei der vorliegenden Erfindung, in einem Produktionsdesign, mit mechanischen Toleranzen gearbeitet werden, sodaß keine optische Ausrichtung nötig wird. Infolge ihrer selbstausrichtenden Natur verwendet die vorhegende Erfindung eitie geringere Anzahl von Komponenten und arbeitet bei einer höheren Pulswiederholungsfrequenz (PRF) als das Intrakavitäts-Design des U.S. Patents 4 933 943.
• Die selbstausrichtende Natur der vorliegenden Erfindung beseitigt die strengen Ausrichtungsanforderungen des Drei- Spiegel-Intrakavitäts-Lasers. Dies hat viele Vorteile, einschließlich der folgenden. Die Herstellungsarbeitskosten werden beträchtlich verringert, da der vorliegende Laser ohne optische Ausrichtung montiert werden kann. Das Leistungsverhalten des Lasers ist äußert unempfindlich gegenüber Spiegelfehlausrichtung nach der Montage. Die im vorliegenden Laser verwendete optische Bank kann aus weniger Starren, leichtgewichtigen Materialien hergestellt sein und liefert ein gutes Leistungsverhalten des Lasers bei Betrieb unter rauhen Umweltbedingungen. Fehlausrichtung infolge von Verkanten des Stabes ist eliminiert. Da die Pump- und Ramanstrahlen bezüglich des Ausgangsspiegels immer ausgerichtet sind, beeinflußt nur ein Kippen des Ausgangsspiegels die Laserjustierung. Die Pulswiederholungsfrequenz (PRF) kann über die des im U.S. Patents 4 933 943 offenbarten Lasers hinaus erhöht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können leichter verstanden werden unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Strukturelemente bezeichnen, und in denen:
• Fig. 1 eine schematische Zeichnung einer ersten Ausführungsform eines selbstausrichtenden Intrakavitäts- Ramanlasers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 2 eine graphische Darstellung ist&sub1; die die Strahldivergenz des seibstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlasers von Fig. 1 zeigt; und
• Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines seibstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlasers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Bei der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlasers 10 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Dieser selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser 10 wurde in Form eines Versuchsaufbaus aufgebaut und getestet, und die Testdaten sind unten in Fig. 2 dargestellt. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser 10 weist einen Pumpresonator 11 und einen Ramanresonator 12 auf. Der Pumpresonator 11 ist in der Zeichnung von einer rechteckigen, eng gestrichelten Umrandung umgeben, während der Ramanresonator 12 in der Zeichnung eine L-förmige Anordnung aufweist und von einer weiter gestrichelten Linie umgeben ist.
• Der Pumpresonator 11 weist einen Laserstab 13 auf, der mittels beispielsweise einer Blitzlichtlampe 14 gepumpt wird. Ein Winkelkubus 16 bildet ein Ende des Pumpresonators 11. Ein Ausgangsspiegel 24, der bei der Pumpwellenlänge total reflektierend oder teilweise durchlässig sein kann&sub1; bildet ein gegenüberliegendes Ende des Pumpresonators 11. Der Pumpresonator 11 ist dafür ausgelegt, Pumpenergie entlang eines ersten Lichtweges 26 zwischen seinen jeweiligen Enden, die von dem Winkelkubus 16 und dem Ausgangsspiegel 24 gebildet werden, abzustrahlen. Der erste Lichtweg 26 ist U-förmig dargestellt, und die U-Form wird unter Verwendung eines dichroitischen Spiegels 17, der im 45º-Winkel in bezug auf den ersten Lichtweg 26 ausgerichtet ist, und eines Prismas 18, das entlang des ersten Lichtweges 26 zwischen dem Q-Switch 15 und dem Ausgangsspiegel 24 angeordnet ist, gebildet. Der Pumplaser 11 ist dafür ausgelegt, Laserener gie bei einer Wellenlänge von 1,06 um abzustrahlen.
• Der Ramanresonator 12 weist eine Ramangaszelle 21 mit ersten und zweiten Linsen 22, 23 auf, die an deren gegenüberliegenden Enden angeordnet sind. Der Ausgangsspiegel 24 bildet ein Ende des Ramanresonators 12 und ein zweiter Win kelkubus 25 bildet ein gegenüberliegendes Ende davon. Der dichroitische Spiegel 17 und das Prisma 18 sind zwischen dem zweiten Winkelkubus 25 und der ersten Linse 22 angeordnet, und bilden auch einen Teil des Ramanresonators 12. Der Ramanresonator 12 ist dafür ausgelegt, Ramanlaserenergie entlang eines zweiten Lichtweges 28 zwischen seinen jeweiligen Enden, die von dem zweiten Winkelkubus 25 und dem Ausgangsspiegel 24 gebildet werden, abzustrahlen. Der Ramanlaser 11 ist dafür ausgelegt, Laserenergie bei einer Wellenlänge von 1,54 um abzustrahlen.
• Der Laserstab 13 kann beispielsweise Nd:YAG sein, 5 mm Durchmesser haben und 60 mm lang sein. Der Q-Switch 15 kann beispielsweise eine Farbstoff-imprägnierte Acetatfolie (optische Dichte = 0,42), die zwischen Glasplatten eingeschlossen ist, aufweisen. Der dichroitische Spiegel 17 ist so beschichtet, daß er bei 1,54 um (Raman) hochdurchlässig und bei 1,06 um (Pumpen) hochreflektiv ist. Die ersten und zweiten Linsen 22, 23, die verwendet werden, um das Licht in die Ramanzelle 21 zu fokussieren und zu rekollimieren, sind als plankonvexe Linsen ausgebildet und können Brennweiten von 63 mm beziehungsweise 38 mm besitzen. Der Ausgangsspiegel 24 ist so beschichtet, daß er 100% bei 1,06 um (Pumpwellenlänge) und 28% bei 1,54 um (Ramanwellenlänge) reflektiert.
• Die Winkelkuben 16, 25 sind zurückreflektierend, sodaß beide Resonatoren 11, 12 selbstausrichtend in bezug auf den Winkel sind. Dennoch war in dem aufgebauten und getesteten Experimentalprototyp der Scheitelpunkt eines jeden der Winkelkuben 16, 25 auf der optische Achse des selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlasers 10 zentriert (nur Translation), die als eine senkrecht auf dem Ausgangsspiegel 24 stehende und auf den jeweiligen Stirnflächen des Laserstabes 13 zentrierten Linie definiert ist. Bei einer Produktionsversion des vorliegenden selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlasers 10 würde dieses "Zentrieren" der Winkelkuben 16, 25 durch entsprechende mechanische Toleranzen bei den Komponenten erreicht.
• Eine Experimentalversion des selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlasers 10 wurde aufgebaut und getestet. Die Eingangsenergie der Blitzlichtlampe 14 betrug an der Schwelle 6 Joule. Der 1,54 um-Ausgangsenergiestrahl 29 (in Fig. 1 als "Raman aus" identifiziert) des experimentellen selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlaser 10 betrug Millijoule 1 0,5 Millijoule. Die 1,54 um-Strahldivergenzdaten sind in Fig. 2 gezeigt. Achtzig Prozent der Ausgangsenergie des Strahles 29 sind innerhalb von ungefähr 7,2 Milliradiant enthalten. Der Durchmesser des Ausgangs strahls 29 betrug ungefähr 3,0 mm (5 mm x (38/63)). Ein Leistungsmerkmal für die Qualität des Ausgangsstrahls 29 ist Strahldivergenz mal Strahldurchmesser. Im Falle der Experimentalversion des selbstausrichtenden Intrakavitäts- Ramanlasers 10 beträgt die Strahlqualität 7,2 x 3,0 = = 21,7 mm mrad. Zu Vergleichszwecken: Der im U.S. Patent Nr. 4 933 943 offenbarte Drei-Spiegel-Laser besitzt eine Ausgabe von 11 Millijoule und eine Strahlqualität von ungefähr 20 mm mrad. Die Unterschiede zwischen den zwei Konstruktionen beziehungsweise Designs hinsichtlich Ausgangsenergie und Strahlqualität werden als innerhalb akzeptabler Grenzen liegend betrachtet.
• Die Pulsbreite des 1,54 um-Ausgangsstrahls 29 für den Versuchsaufbau des selbstausrichtenden Intrakavitäts- Ramanlasers 10 betrug beständige 5 Nanosekunden. Im Vergleich dazu zeigte die Pulsbreite des Drei-Spiegel-Designs des U.S. Patents Nr. 4 933 943 eine Variation von 6 bis 12 Nanosekunden. Diese Variation wird für eine Folge der Schwierigkeiten gehalten, die mit dem Ausrichten der drei Spiegel verknüpft sind. Für viele Anwendungen beeinflußt diese Pulsbreitenvariation das Systemleistungsverhalten nicht; dennoch ist eine beständigere Pulsbreite wünschenswerter, und wird in dem vorliegenden selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlaser 10 erreicht.
• Fig. 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines selbstausrichtenden Intrakavitäts-Ramanlasers 10a gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser 10a weist die Mehrzahl der Komponenten des Lasers 10 der Fig. 1 auf, verwendet aber anstelle des Prismas 18 und dichroitischen Spiegels 17 ein Umlenkprisma 19. Die zweite Ausführungsform ist auf diese Weise in U-Form angeordnet. Die zweite Ausführungsform verwendet einen gewuhnlichen Retroreflektor (Winkelkubus) 16, um die Energien der Wellenlänge 1,06 um und 1,54 um von den beiden Resonatoren 12, 13 zu reflektieren. Der dichroitische Spiegel 17 und der zweite Retroreflektor 25 in der ersten Ausführungsform ist auf diese Weise eliminiert. Der Aufbau dieses zweiten Lasers loa ist im wesentlichen der gleiche wie oben für der ersten Laser beschrieben.
• Der zweite Laser 10a wurde ebenfalls aufgebaut und getestet. Der zweite Laser 10a kann betrieben werden, aber die Ausgabe bei 1,54 um betrug nur ungefähr die Hälfte der Ausgabe des ersten Lasers 10. Beträchtliche Verluste durch den Nd:YAG-Laserstab 13 hindurch wurden um die Wellenlänge von 1,54 um herum gemessen. Es wurde nicht bestimmt, ob diese Verluste dem Vollstab 13 oder den antireflektierenden Beschichtungen (antireflektierend nur bei 1,06 um) zuzuschreiben sind. Falls diese Verluste beseitigt werden, zusammen mit allen Verlusten bei 1,54 um im Q-Switch 15a, und die Ausgabe bei 1,54 um erhöht wird, dann wäre der zweite Laser 10a wünschenswerter als der erste Laser 10, im wesentlichen für alle Anwendungen, in denen er verwendet wird.
• Somit wurden neue und verbesserte selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser beschrieben, die verbesserte Ausrichteigenschaften besitzen und deren Ausgangsstrahl eine stabilere Pulsbreite aufweist.

Claims (12)

1. Ein selbstausrichtender Intrakavitäts-Ramanlaser (10) mit:

einem Pumpresonator (11) mit:

einem Laserstab (13);

einer Pumpvorrichtung (14), die in der Nachbarschaft des Laserstabes angeordnet ist, um Energie in den Laserstab hinein zu pumpen;

einem ersten Retroreflektor (16), der an einem Ende des Pumpresonators angeordnet ist;

einem Ausgangsspiegel (24), der an einem gegenüberliegenden Ende des Pumpresonators angeordnet ist;

einem Q-Switch (15), der zwischen dem Laserstab und dem Ausgangsspiegel angeordnet ist,

einem dichroitischen Spiegel (17), der zwischen dem Q- Switch und dem Ausgangsspiegel angeordnet ist; und

einem Prisma (18), das zwischen dem dichroitischen Spiegel und dem Ausgangsspiegel angeordnet ist;

worin der Pumpresonator (11) ausgelegt ist, Pumpenergie bei einer ersten vorbestimmten Wellenlänge zwischen dem ersten Retroreflektor und dem Ausgangsspiegel abzustrahlen; und

einem Ramanresonator (12) mit:

einer Ramangaszelle (21) mit ersten (22) und zweiten (23) an deren gegenüberliegenden Enden angeordneten Linsen, um Laserenergie in die Ramanzelle hinein zu fokussieren; und

einem zweiten, außerhalb des Pumpresonators angeordneten Retroreflektor (25), der ein Ende des Ramanresonators bildet;

worin der Ausgangsspiegel ein gegenüberliegendes Ende des Ramanresonators bildet, und worin der dichroitische Spiegel und das Prisma einen gefalteten Pumpresonator erzeugen und zwischen dem zweiten Retroreflektor und der ersten Linse angeordnet sind, und worin der Ramanresonator ausgelegt ist, Ramanlaserenergie bei einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge zwischen dem zweiten Retroreflektor und dem Ausgangsspiegel abzustrahlen.

2. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 1, worin der Pumpresonator ausgelegt ist, Laserenergie der Wellenlänge 1,06 um abzustrahlen, und der Ramanresonator ausgelegt ist, Laserlicht der Wellenlänge 1,54 um abzustrahlen.

3. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 1, worin jeder der ersten und zweiten Retroreflektoren einen Winkelkubus aufweist.

4. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 11 worin der dichroitische Spiegel im wesentlichen im 45º-Winkel in bezug auf eine optische Achse des Lasers ausgerichtet ist, die durch eine senkrecht auf dem Ausgangsspiegel stehende und auf die jeweiligen Stirnflächen des Laserstabs zentrierten Linie definiert ist.

5. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 1, worin die ersten und zweiten Linsen plankonvexe Linsen sind.

6. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 1, worin der Q-Switch eine Farbstoff-imprägnierte Acetatfolie, die zwischen Glasplatten eingeschlossen ist, aufweist.

7. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 6, worin die Farbstoff-imprägnierte Acetatfolie eine optische Dichte von ungefähr 0,42 besitzt.

8. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 1, worin der dichroitische Spiegel so beschichtet ist, daß er bei der ersten vorbestimmten Wellenlänge hochreflektiv und bei der zweiten vorbestimmten Wellenlänge hochdurchlässig ist.

9. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 2, worin der dichroitische Spiegel so beschichtet ist, daß er hochreflektiv für Laserenergie der Wellenlänge 1,06 um und hochdurchlässig bei Laserenergie der Wellenlänge 1,54 um ist.

10. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 9, worin der Ausgangsspiegel so beschichtet ist, daß er im wesentlichen 100% bei Laserenergie der Wellenlänge 1,06 um und ungefähr 28% bei Laserenergie der Wellenlänge 1,54 um reflektiert.

11. Der selbstausrichtende Intrakavitäts-Ramanlaser von Anspruch 1, worin die Pumpvorrichtung eine Blitzlichtlampe aufweist.

12. Ein selbstausrichtender Intrakavitäts-Ramanlaser (10a) mit:

einem Pumpresonator (11) mit:

einem Laserstab (13);

einer Pumpvorrichtung (14), die in der Nachbarschaft des Laserstabes angeordnet ist, um Energie in den Laserstab hinein zu pumpen;

einem Retroreflektor (16), der an einem Ende des Pumpresonators angeordnet ist;

einem Ausgangsspiegel (24), der an einem gegenüberhegenden Ende des Pumpresonators angeordnet ist;

einem Q-Switch (15a), der zwischen dem Laserstab und dem Retroreflektor angeordnet ist; und

einem Umlenkprisma (19), das zwischen dem Laserstab und dem Ausgangsspiegel angeordnet ist;

worin der Pumpresonator ausgelegt ist, Pumpenergie bei einer ersten vorbestimmten Wellenlänge zwischen dem ersten Retroreflektor und dem Ausgangsspiegel abzustrahlen; und

einem Ramanresonator (12) mit:

einer Ramangaszelle (21) mit ersten (22) und zweiten (23) an deren gegenüberliegenden Enden angeordneten Linsen, um Laserenergie in die Ramanzelle hinein zu fokussieren; und

worin der Retroreflektor (16) ein Ende des Ramanresonators bildet und der Ausgangsspiegel (24) ein gegenüberliegendes Ende des Ramanresonators bildet, und worin das Prisma (19) zwischen dem Retroreflektor und der ersten Linse angeordnet ist, und worin der Ramanresonator ausgelegt ist, Ramanlaserenergie bei einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge zwischen dem Retroreflektor und dem Ausgangsspiegel abzustrahlen.