DE69315620T2

DE69315620T2 - Hoherdurchschnittsstärke Laser mit generizender Strahlung in der Nähe der 530 NM

Info

Publication number: DE69315620T2
Application number: DE69315620T
Authority: DE
Inventors: Joseph Paul Chernoch; Mark Jon Kukla; William Taylor Lotshaw; Josef Robert Unternahrer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-05-28
Filing date: 1993-05-25
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2013-05-26
Also published as: EP0572201A1; US5241551A; JPH0637383A; EP0572201B1; DE69315620D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Laser, die eine hohe durchschnittliche Leistung erzeugen. Die Strukturen dieses Typs erzeugen im allgemeinen eine hohe durchschnittliche Leistungsintensität mit einer hohen Spitzenintensität bei einer Wellenlänge nahe 530 nm.

Beschreibung des Standes der Technik

Es sind mehrere Systeme in Verwendung zur Frequenzverdopplung eines Festkörperlasers, speziell eines Nd:YAG-Lasers. Ein Pulsgepumpter, Q-geschalteter Oszillator, optional gefolgt von einem ähnlich gepumpten Einpaß-Verstärker und ein externer SHG (von second harmonic generation bzw. Erzeugung der zweiten Harmonischen) Kristall ist das am häufigsten verwendete System. Mit dieser Lösung können zwar hohe Spitzenleistungen erzeugt werden, aber die Wiederholungsrate und somit auch die durchschnittliche Leistung sind stark eingeschränkt.
Signifikant höhere Wiederholungsraten sind erzielbar, wenn Intrakavitäts-SHG verwendet wird. Diese Technik sorgt für eine hohe Umwandlungseffizienz, da sie aber die Hinzufügung von optischen Verstärkern ausschließt, ist die entziehbare Ausgangsleistung auf die von dem Oszillator erhältliche Leistung begrenzt, und die Chance für eine weitere Verstärkung ist verloren.
Ein Verfahren zum Berechnen der Wirkung von Laserstrahlung und mittleren Nicht-Linearitäts-Parametern bei optischen Frequenzdopplern, um ein optimales optisches System für eine Erzeugung der zweiten Harmonischen zu finden, ist in "Effect oflaser and medium parameters on second harmonic generation" in Soviet Physics - Technical Physics, Band 14, Nr. 12, Juni 1970 erörtert.
Die dritte Möglichkeit ist "externe Resonanzverdopplung" und wird hauptsächlich für CW bzw. Dauerstrich-Laser verwendet.
Diese Lösung stellt technisch höhere Anforderungen als die anderen, weil sie einen Mono-Axialmode-Oszillator und die Frequenzverriegelung von einem "Neben"-Resonator mit einem "Haupt"-Resonator erfordert. Da Resonanzverdopplung, genau ge nommen, ein Verfahren ist, um die SHG Effizienz zu verbessern, spezifiziert sie nicht, wie das Grundbündel erzeugt wird (außer daß es ein Mono-Mode sein muß). Diese Fälle sind die Betriebsmodi, die extrem lange Pulse erzeugen, entweder wegen einer sehr hohen Q-Schalter-Wiederholungsrate oder weil der Laser nicht Q-geschaltet ist, was einen wahren CW-Betrieb als den begrenzenden Fall einschließt. Deshalb wäre ein vorteilhafteres Lasersystem dann möglich, wenn die durchschnittliche Leistung erhöht werden könnte, während eine hohe Spitzenleistung beibehalten wird.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß in der Technik ein Bedürfnis besteht für ein Lasersystem, das eine hohe durchschnittliche Leistung und eine hohe Spitzenleistung erzeugt und das wenigstens gleich den Durchschnitts- und Spitzenleistungs charakteristiken von bekannten Lasern ist, das aber gleichzeitig auf praktisch alle bekannten Betriebsmodi von Lasern anwendbar ist, die von wahren CW, CW-gepumpten Moden-verriegelten oder Q-geschalteten bis Puls-gepumpten, freilaufenden oder Q-geschalteten reichen, wobei die Modulierten-Ausgangsleistungs-Moden einen Bereich der Wiederholungsraten von Einzelpuls bis 100 MHz überspannen. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, diese und andere Bedürfnisse in der Technik in einer Art und Weise zu erfüllen, die für den Fachmann nach der folgenden Offenbarung deutlicher wird.
In einem Artikel mit dem Titel "The conversion of high-power, giant-pulse laser radiation into the second and fourth harmoics" von L.S. Erschov u.a. (Seiten 433 bis 434, Band 42, Nr. 8, August 1975, Soviet Journal of Optical Technology) wird ein System vorgeschlagen, bei dem ein Lasersystem eine Doppelpaß- Verstärkungseinrichtung verwendet. Die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sind aus diesem Artikel bekannt.
FR-A-1 361 121 zeigt einen Vielpaß-Wanderwellenverstärker für einen Laser.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Lasersystem mit einer hohen durchschnittlichen Intensität und einer hohen Spitzenintensität geschaffen, wobei das Lasersystem enthält: eine Oszillatoreinrichtung, die ein optisches Bündel erzeugt; eine ersten optische Einrichtung, die eine optische Mode-Anpassungseinrichtung aufweist und benachbart zu der Oszillatoreinrichtung angeordnet ist, so daß das optische Bündel ist erste optische Einrichtung durchquert; eine Vielpaß-Verstärkereinrichtung, die benachbart zu der ersten optischen Einrichtung angeordnet ist, so daß das optische Bündel durch die Verstärkereinrichtung geleitet wird, um eine Intensität des optischen Bündels um eine vorbestimmte Größe zu vergrößern; und eine zweite optische Einrichtung, die eine Frequenzverdopplungs-Kristalleinrichtung aufweist und benachbart zu der Verstärkereinrichtung angeordnet ist, so daß das optische Bündel mit der vergrößerten Intensität durch die zweite optische Einrichtung geleitet wird, um ein Laserbündel mit einer hohen durchschnittlichen Intensität und einer hohen Spitzenintensität hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Mode- Anpassungseinrichtung ferner enthält: eine Fokussierungslinse; und eine zylindrische Linse und wobei die Verstärkereinrichtung ferner enthält: einen Wanderwellenverstärker und ein Verstärkungsmedium.
In gewissen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Betriebsmodus des Oszillators entweder kontinuierlich bzw. Dauerstrich(CW von continuous wave) oder moduliert (gepulst) sein. Weiterhin enthält die Mode-Anpassungsoptik eine Fokussierungslinse und eine zylindrische Linse. Die Vielpaß-Verstärkereinrichtung enthält einen Wanderwellen-Vielpaßverstärker mit einem Verstärkungsmedium, das optisch angeregt wird, und sie enthält weiterhin zwei Faltungsspiegel, so daß die Intensität des optischen Bündels um etwa einen Faktor 10 vergrößert wird. Schließlich enthält die Frequenzverdopplungs-Kristalleinrichtung einen optischen, nicht-linearen Kristall, der in einem Ofen untergebracht ist.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Lichtbündel mit einer hohen durchschnittlichen Leistung nahe einer Wellenlänge von 530 nm erzeugt, das eine hohe spektrale Reinheit hat&sub5;
Das bevorzugte Lasersystem gemäß der Erfindung bietet die folgenden Vorteile: hohe durchschnittliche Intensität; hohe Spitzenintensität; gute Stabilität; gute Dauerhaftigkeit; hohe spektrale Reinheit und hohe Festigkeit für Sicherheit. In der Tat sind in vielen der bevorzugten Ausführungsbeispiele diese Faktoren der durchschnittlichen Intensität, Spitzenintensität und spektralen Reinheit bis zu einem Maß optimiert, das wesentlich höher ist als es bisher in früheren, bekannten Lasersystemen erreicht werden konnte.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei die einzige Figur eine schematische Darstellung von einem erfindungsgemäßen Laser mit einer hohen Durchschnittsintensität und einer hohen Spitzenintensität ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In der Figur ist ein Lasersystem 2 dargestellt. Das System 2 enthält u.a. einen üblichen Oszillator 4, ein optisches Bündel 6, eine Mode-Anpassungsoptik 17, einen Wanderwellen-Vielpaßverstärker 26, einen üblichen Frequenzverdopplungskristall 46, ein übliches Streuprisma 50 und Laserbündel 52a und 52b mit Frequenzen 1ω bzw. 2ω. Genauer gesagt, enthält das System 2 auch übliche Halbwellenplatten 8 und 38, optische Bündel 9, 14, 18, 22, 32, 34, 40, 44 und 48, ein übliches Teleskop 13 mit üblichen Fokussierungslinsen 10 und 12, eine übliche Fokussierungslinse 16, eine übliche zylindrische Linse 20, übliche Ablenkspiegel 24,36, einen flächengepumpten Laserkopf 28 mit einem Verstärkungsmedium 29, das vorzugsweise ein Nd:YAG oder ein anderer geeigneter Kristall ist, Faltungsspiegel 30, die in einem Winkel θ relativ zum Laserkopf 28 angeordnet sind, und eine übliche Fokussierungslinse 42.
Bezüglich des Frequenzverdopplungskristalls 46 ist der Kristall 46 üblicherweise ein konventioneller optischer, nicht-linearer Kristall (nicht gezeigt), der in einem Ofen untergebracht ist, um die Temperatur des nicht-linearen Kristalls auf einen Wert einzustellen, der vorteilhaft ist für eine effiziente Umwand lung in die zweite Harmonische (SHG). Vorzugsweise wird Lithiumtriborat (LBO) als der nicht-lineare Kristall verwendet, aber es sei darauf hingewiesen, daß jeder geeignete optische, nichtlineare Kristall verwendet werden kann. In dem Fall von LBO liegt diese Temperatur vorzugsweise um 150ºC herum, wo eine Wellenlänge von 1064 nm unter typischen nicht-kritischen Phasenanpassungsbedingungen in 532 nm umgewandelt werden kann.
Während des Betriebs des Systems 2 erzeugt der Oszillator 4 vorzugsweise ein linear polarisiertes optisches TEMoo Bündel 6. In Abhängigkeit vom Betriebsmodus kann das Bündel 6 entweder CW (kontinuierlich bzw. Dauerstrich) oder moduliert (gepulst) sein. Die Halbwellenplatte 8 wird dazu verwendet, die Polarisation des Bündels 6 in die geeignetste Ebene für die nachfolgenden optischen Elemente zu drehen. Das Teleskop 13 und das optische Modenanpassungssystem 17 bereiten die Punktgröße des Bündels 22 und die Krümmung des Bündels 22 derart vor, daß es erfolgreich in den Vielpaß-Wanderwellenverstärker 26 eingegeben werden kann. Wie bereits ausgeführt wurde, besteht der Verstärker 26 aus einem Kopf 28, der das Verstärkungsmedium 29 enthält, und wenigstens zwei Faltungsspiegeln 30, die das Bündel 32 periodisch auf die vielen Durchläufe des Bündels 32 durch den Verstärker 26 refokussieren. Die periodische Refokussierung des Bündels durch den Kopf 28 sollte bewirken, daß die Intensität des Bündels 32 um einen Faktor von etwa 10 vergrößert wird. Das Verstärkungsmedium 29 wird optisch angeregt durch Blitzlampen oder andere Mittel zum optischen Pumpen (nicht gezeigt). Diese optische Anregung ist entweder CW bzw. Dauerstrich oder moduliert, was von dem Betriebsmodus abhängt, der für den Anwendungsfall gewählt ist. Nach dem Verstärker 26 dreht eine weitere Halbwellenplatte 38 die noch lineare Polarisation in die Ebene, die von den stromabwärtigen optischen Elementen benötigt wird, und eine übliche Fokussierungslinse 42 mit einer geeigneten Brennweite wird verwendet, um die Größe des Bündels 44 zu verkleinern und somit seine Intensität zu vergrößern, so daß es in dem Frequenzverdopplungskristall 46 erfolgreich in die zweite Harmonische umgewandelt werden kann. Optional können der Fokussierungslinse 42 mehrere übliche optische Elemente (nicht gezeigt) mit einer zylindrischen optischen Leistung vorangehen, um die elliptische Bündelgroße und die biaxiale Krümmung zu kompensieren, die durch den Vielpaß-Wanderwellenverstärker 26 hervorgerufen werden. Der Vorteil von dieser Kompensation ist eine höhere Spitzenintensität in dem Frequenzverdopplungskristall 46, weil die Einschnürungen in den zwei Hauptebenen des Bündels 44 dazu gebracht werden können, an dem gleichen Ort entlang der Bündellinie aufzutreten. Schließlich sind nach dem Verdopplungskristall 46 gewisse Mittel zum Trennen der zweiten Harmonischen von dem Grundbündel vorgesehen, wenn dies gewünscht wird. In dem einfachsten Fall kann ein Streuprisma 50 für diesen Zweck verwendet werden.
Nachdem die vorstehende Offenbarung gegeben worden ist, werden für den Fachmann viele andere Merkmale, Abwandlungen oder Verbesserungen deutlich. Diese Merkmale, Abwandlungen oder Verbesserungen sollen deshalb ein Teil dieser Erfindung sein, deren Schutzumfang durch die folgenden Ansprüche bestimmt ist.

Claims

1. Lasersystem (2) mit einer hohen durchschnittlichen Intensität und einer hohen Spitzenintensität, wobei das Lasersystem (2) enthält:

eine Oszillatoreinrichtung (4), die ein optisches Bündel (6) erzeugt;

eine erste optische Einrichtung (8,13), die eine optische Mode-Anpassungseinrichtung (17) aufweist und benachbart zu der Oszillatoreinrichtung (4) angeordnet ist, so daß das optische Bündel die erste optische Einrichtung (8,13) durchquert;

eine Vielpass-Verstärkereinrichtung (26), die benachbart zu der ersten optischen Einrichtung (8,13) angeordnet ist, so daß das optische Bündel durch die Verstärkereinrichtung (26) geleitet wird, um eine Intensität des optischen Bündels um eine vorbestimmte Größe zu vergrößern; und

eine zweite optische Einrichtung (38,42,50), die eine Frequenzverdopplungs-Kristalleinrichtung (46) aufweist und benachbart zu der Verstärkereinrichtung (26) angeordnet ist, so daß das optische Bündel mit der vergrößerten Intensität durch die zweite optische Einrichtung (38,42,50) geleitet wird, um ein Laserbündel mit einer hohen durchschnittlichen Intensität und einer hohen Spitzenintensität hervorzurufen,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Mode-Anpassungseinrichtung (17) ferner enthält:

eine Fokussierungslinse (16); und

eine zylindrische Linse (20) zum Herstellen der Punktgröße und der Krümmung von dem durchquerten Bündel derart, daß es in die Vielpass-Verstärkereinrichtung (26) eingeleitet werden kann;

und daß die Verstärkereinrichtung (26) ferner enthält: einen Wanderwellenverstärker und ein Verstärkungsmedium (29).

2. Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Oszillatoreinrichtung (4) ein kontinuierliches Bündel erzeugt.

3. Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Oszillator einrichtung (4) ein gepulstes Bündel erzeugt.

4. Lasersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste optische Einrichtung (8,13) ferner enthält: eine Halbwellenplatte (8); und eine Teleskopeinrichtung (13).

Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Lasersystem ferner enthält: wenigstens zwei Umlenkspiegel (24,36).

6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite optische Einrichtung (38,42,50) ferner enthält: eine Halbwellenplatte (38), eine Fokussierungslinse (42) und ein Streuprisma (50).

7. Lasersystem nach Anspruch 5, wobei die Umlenkspiegel (24,36) in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Verstärkereinrichtung (26) angeordnet sind.

8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Intensität des optischen Bündels um einen Faktor von etwa gleich 10 vergrößert wird, wenn das optische Bündel die Verstärkerungeinrichtung (26) durchquert.

9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verstärkereinrichtung (26) ferner enthält: wenigstens zwei Faltungsspiegel (30), die in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind; und einen Flächen-gepumpten Laserkopf (28), der im wesentlichen zwischen den Faltungsspiegeln (30) angeordnet ist.