NO309218B1 - Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår lasere generelt, og mer bestemt en selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i ingressen av vedlagte krav 1 og 12.

I US patent nr. 4933943 er det beskrevet en intrakavitet-laser med tre speil som gir en tilfredsstillende strålekvalitet og utgangsenergi, men har iboende problemer når det gjelder å rette inn de tre speil den omfatter. Intrakavitet-resonatorutførelsen i TJS patent nr. 4933943 er en resonator som omfatter tre flate speil og disse speil er meget vanskelige å rette inn og å holde innrettet i praksis. Særlig er problemet med innretning en kilde til bekymring når det gjelder produksjonsmulighet og pålitelighet ved produk-sjonslasere som gjør bruk av intrakavitet-resonatorut-førelse.

Mer bestemt viser disse innretningsproblemer seg på forskjellige måter ved utførelse av intrakavitet-resonatorer, innbefattende de følgende. Feilinnretning av de tre speil utover 100 urad kan oppstå under harde militære forhold og dette fører til degradering og styring av laserens utgangsstråle. Fastkiling av staven p.g.a. termiske virkninger skaper feilinnretning og reduserer dermed pulsrepetisjons-hastigheten for laseren. Innretning av laseren krever spesielt verktøy innbefattende et interferometer eller en autokollimator og en fagkyndig tekniker, noe som øker fremstillingsomkostningene. P.g.a. følsomheten overfor innretningen benyttes optiske innretningskiler og en tung, stiv optisk benk i laseren, noe som ytterligere øker produksjonsomkostningene.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en laser som er selvinnrettende og der de ovenfor angitte problemer er redusert.

For å oppfylle de ovennevnte og andre formål frembringer foreliggende oppfinnelse en selvinnrettende intrakavitet-

Ramanlaser som angitt i den kjennetegnende del av henholdsvis vedlagte krav 1 og 12.

Ytterligere utførelsesformer av oppfinnelsen relatert til krav 1 fremgår av kravene 2-11.

Den foreliggende oppfinnelse er meget ufølsom overfor feilinnretning og har en meget god øyesikker utgangsenergi og strålespredning svarende til den intrakavitet-Ramanlaser-resonator som er beskrevet i US patent nr. 4933943. I sammenligning med de noe vanskelige innretningsproblemer med den ovenfor angitte laser kan foreliggende oppfinnelse, i en produksjonsutførelse, gis mekaniske toleranser slik at noen optisk innretning ikke er nødvendig. På grunn av dens selvinnrettende oppbygning anvender foreliggende oppfinnelse et mindre antall komponenter og arbeider med en høyere pulsrepetisjonsfrekvens (PRF) enn intrakavitet-utførelsen i US patent nr. 4933943.

Den selvinnrettende oppbygning av foreliggende oppfinnelse opphever de strenge krav til innretning av de tre speil i intrakavitet-laseren. Dette har mange fordeler, innbefattende de følgende. Arbeidsomkostningene ved fremstil-lingen blir betydelig redusert siden laseren i henhold til oppfinnelsen kan settes sammen uten optisk innretning. Laseregenskapene er meget ufølsomme overfor feilinnretning av speilene etter montering. Den optiske benk som benyttes i den nuværende laser kan være laget av mindre stive, lettvektsmaterialer og det oppnås god laservirkning ved bruk under harde og vanskelige forhold. Feilinnretning p.g.a. fastkiling av staven er eliminert. Siden pumpe- og Råman-stråler alltid blir rettet inn mot utgangsspeilet, vil bare skjevstilling av utgangsspeilet innvirke på siktelinjen. Pulsrepetisjonsfrekvensen (PRF) kan økes i forhold til den laser som er beskrevet i US patent nr. 4933943.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere med forklaring på de forskjellige trekk og fordeler tinder henvisning til tegningene der like henvisningstall betegner like strukturelementer og der: Fig. 1 skjematisk viser en første utførelse for en selvinnrettende intrakavitet-Raman laser i henhold til prinsippene ved foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 er et diagram som viser strålespredningen i den selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser på fig. 1, og Fig. 3 viser en andre utførelse av en selv-innrettende intrakavitet-Ramanlaser i henhold til foreliggende opp-finnelses prinsipper. Fig. 1 viser en første utførelse av en selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10 i henhold til prinsippene ved foreliggende oppfinnelse. Denne selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10 er blitt bygget og prøvet i en forsøksoppstilling og prøvedata er gjengitt i det følgende med henvisning til fig. 2. Den selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10 omfatter en pumperesonator 11 og en Raman-resonator 12. Pumperesonatoren 11 er vist omgitt av en rektangulær boks som en tett stiplet linje, mens Ramanresonatoren 12 er vist i en L-formet utførelse og er omgitt med en mer åpen stiplet linje.

Pumperesonatoren 11 omfatter en laserstav 13 som blir pumpet ved hjelp av en lynlyslampe 14 som eksempel. En hjørnekubus 16 danner en ende av pumperesonatoren 11. Et utgangsspeil 24, som kan være helt reflekterende eller delvis gjennomslippende ved pumpebølgelengden danner en motstående ende av pumperesonatoren 11. Pumperesonatoren 11 er innrettet til å stråle ut pumpeenergi langs en første optisk bane 26 mellom sine respektive ender som er dannet av hjørnekubusen 16 og utgangsspeilet 24. Den første optiske bane 26 er vist U-formet og U-formen fremkommer ved bruk av et dikroisk speil 17 som står i en vinkel på 45° i forhold til den første optiske bane 26 og et prisme 18 som er anbragt i den første optiske bane 26 mellom Q-venderen 15 og utgangsspeilet 24. Pumpelaseren 11 er innrettet til å stråle ut laserenergi med en bølgelengde på 1,06 jjm.

Ramanresonatoren 12 er dannet av en Ramangasscelle 21 med første og andre linser 22, 23 anbragt ved motstående ender av cellen. Utgangsspeilet 24 danner én ende av Ramanresonatoren 12 og en andre hjørnekubus 25 utgjør resonatorens motstående ende. Det dikroiske speil 17 og prismet 18 er anbragt mellom den andre hjørnekubus 25 og den første linse 22 og utgjør også en del av Ramanresonatoren 12. Ramanresonatoren 12 er innrettet til å stråle ut Ramanlaserenergi langs en andre optisk bane 28 mellom sine respektive ender som dannes av den andre hjørnekubus 25 og utgangsspeilet 24. Ramanlaseren 11 er innrettet til å stråle ut laserenergi med en bølgelengde på 1,54 pm.

Laser staven 13 kan være Nd:YAG, 5 mm i diameter og f. eks. 60 mm lang. Q-venderen 15 kan være laget av et fargeimpreg-nert acetatark (optisk tetthet = 0,42) innlagt som et lag mellom f.eks. glassplater. Det dikroiske speil 17 er belagt slik at det har god gjennomslipping ved 1,54 um (Råman) og god refleksjon ved 1,06 um (pumpe). De første og andre linser 22,23 som benyttes til å fokusere og rekollimere lyset i Ramancellen 21 er formet som plankonvekse linser og kan ha brennvidder på hhv. 63 mm og 38 mm. Utgangsspeilet 24 er belagt slik at det er 100$ reflekterende ved 1,06 um (pumpebølgelengden) og 28$ reflekterende ved 1,54 um (Ramanbølgelengden).

Hjørnekubusene 16, 25 er retroref lekterende slik at begge resonatorer 11, 12 er selvinnrettende når det gjelder vinkel. I forsøksprototypen som ble bygget og prøvet ble imidlertid toppunktet for hver hjørnekubus 16, 25 sentrert (bare forflytning) på den optiske akse for den selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10, hvilken akse er definert som en linje perpendikulær på utgangsspeilet 24 og sentrert mot de respektive endeflater av laserstaven 13. I en produksjons-utførelse av denne selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10, vil denne "sentrering" av hjørnekubusene 16, 25 bli utført ved innføring av mekaniske toleranser for komponentene .

En forsøksversjon av den selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10 ble bygget og prøvet. Inngangsenergien fra lynlyslampen 14 hadde en terskelverdi på 6 joule. Utgangsenergien hos strålene 29 (på fig. 1 angitt som "Råman ut") med bølgelengden 1,54 pm fra forsøksversjonen av den selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10 var 10 millijoule ±0,5 millijoule. Data for spredning av 1,54 um strålen er vist på fig. 2. 80$ av utgangsenergien fra strålen 29 lå innenfor 7,2 milliradianer. Diameteren på utgangsstrålen 29 var omtrent 3,0 mm(5 mm x (38/63)). En verdi for kvaliteten av utgangsstrålen 29 er strålespredning multiplisert med strålediameter. Når det gjelder forsøksversjonen av den selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10, er stråle-kvaliteten 7,2 x 3,0 = 21,7 mm-mrad. Til sammenligning har laseren med tre speil som er beskrevet i US patent nr. 4933943 en 11 millijoule utgang og en strålekvalitet på 20 mm-mrad. Forskjellene mellom de to utførelser når det gjelder utgangsenergi og strålekvalitet er betraktet som innenfor grenser som kan godtas.

Pulsbredden for 1,54 pm utgangsstrålen 29 ved forsøks-versjonen av den selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10 var jevnt på 5 nanosekunder. Til sammenligning viste pulsbredden for utførelsen med tre speil i US patent nr. 4933943 en variasjon fra 6 til 12 nanosekunder. Denne variasjon antas å være resultatet av vanskelighetene med innretning av de tre speil. For mange anvendelser vil denne pulsbreddevariasjon ikke innvirke på systemets drift og egenskaper, men en jevnere pulsbredde er mere ønskelig og er oppnådd i den foreliggende selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10.

Fig. 3 viser en andre utførelse av en selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser 10a i henhold til prinsippene ved foreliggende oppfinnelse. Den selv-innrettende intrakavitet-Ramanlaser 10a omfatter størstedelen av komponentene fra laseren 10 på fig. 1, men det benyttes et ombrytende prisme 19 i stedet for prismet 18 og det dikroiske speil 17. Den andre utførelse er dermed bygget opp som en U-form. Den andre utførelse gjør bruk av en felles retroreflektor (hjørnekubus) 16 for reflektering av bølgelengdeenergi med 1,06 pm og 1,54 um fra begge resonatorer 11, 12. Det dikroiske speil 17 og den andre retroreflektor 25 fra den første utførelse er dermed eliminert. Konstruksjonen av den andre laser 10a er forøvrig stort sett den samme som beskrevet ovenfor for den første laser 10. Den andre laser 10a ble også bygget og prøvet.

Den andre laser 10a er brukbar, men 1,54 pm var omtrent halvparten av utgangen fra den første laser 10. Betydelige tap ble målt gjennom ND:YAG laserstaven 13 rundt bølgelengden på 1,54 pm. Det er ikke blitt fastslått om disse tap skyldes massen i staven 13 eller antirefleksbeleggene (antireflek-terende bare ved 1,05 pm). Disse tap kan være årsaken til den reduserte utgang. Hvis disse tap blir eliminert sammen med eventuelle 1,54 pm tap i Q-venderen 15a, og 1,54 pm utgangen øker, vil den andre laser 10a være mer hensikts-messig enn den første laser 10 for så godt som alle områder der den anvendes.

Det er således her beskrevet nye og forbedrede selvinnrettende intrakavitet-Ramanlasere som har forbedrede egenskaper når det gjelder innretning og hvis utgangsstråle har en mer stabil pulsbredde.

Claims (12)

1. Selv-innrettende intrakavitet-Ramanlaser som omfatter: en pumperesonator (11) med: en laserstav (13), pumpeanordning (14) anbragt ved laserstaven for pumping av energi inn i laserstaven, en første retroreflektor (16) anbragt ved én ende av pumperesonatoren, et utgangsspeil (24) anbragt ved en motstående ende av pumperesonatoren, en Q-vender (15) anbragt mellom laserstaven og utgangsspeilet , et dikroisk speil (17) anbragt mellom Q-venderen og utgangsspeilet, og et prisme (18) anbragt mellom det dikroiske speil og utgangsspeilet , der pumperesonatoren (11) er innrettet til å stråle ut pumpeenergi med en første på forhånd bestemt bølgelengde mellom den første retroreflektor og utgangsspeilet og en Raman-resonator (12) som omfatter: en Råman gasscelle (21) med første (22) og andre (23) linser anbragt ved motstående ender av denne for fokusering av laserenergi inn i Ramancellen og en andre retroreflektor (25) anbragt på utsiden av pumperesonatoren som danner én ende av Ramanresonatoren,karakterisert ved at utgangsspeilet danner en motstående ende av Ramanresonatoren, der det dikroiske speil og prismet danner en foldet pumperesonator og er anbragt mellom den andre retroreflektor og den første linse, og der Ramanresonatoren er innrettet til å stråle ut Ramanlaser energi med en andre på forhånd bestemt bølgelengde mellom den andre retroreflektoren og utgangsspeilet.

2. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at pumperesonatoren er innrettet til å stråle ut laserenergi med en bølgelengde på 1,06 pm og Ramanresonatoren er innrettet til å stråle ut laserlys med en bølgelengde på 1,54 pm.

3. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver av de første og andre retroreflektorer omfatter en hjørnekubus.

4. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at det dikroiske speil er orientert i hovedsakelig 45° i forhold til en optisk akse for laseren definert som en linje perpendikulær på utgangsspeilet og sentrert mot respektive endeflater av laserstaven.

5. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at de første og andre linser er plankonvekse linser.

6. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert ved at Q-venderen er dannet av et farveimpregnert acetatark liggende som et lag mellom glassplater.

7. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 6, karakterisert ved at det fargeimpregnerte acetatark har en optisk tetthet på omtrent 0,42.

8. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at det dikroiske speil er belagt slik at det er godt reflekterende ved den første på forhånd bestemte bølgelengde og meget gjennomslippende ved den andre på forhånd bestemte bølgelengde.

9. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 2, karakterisert ved at det dikroiske speil er belagt slik at det er godt reflekterende for 1,06 pm bølgelengde laserenergi og sterkt gjennomslippende ved 1,54 pm bølgelengde laserenergi.

10. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 9, karakterisert ved at utgangsspeilet er belagt slik at det er så godt som 100$ reflekterende for laserenergi med 1,06 pm bølgelengde og omtrent 28% reflekterende for laserenergi med 1,54 pm bølgelengde.

11. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at pumpeanordningen omfatter en lynlyslampe.

12. Selvinnrettende intrakavitet-Ramanlaser som omfatter: en pumperesonator (11) med: en laserstav (13), pumpeanordning (14) anbragt ved laserstaven for pumping av energi inn i laserstaven, en retroreflektor (16) anbragt ved én ende av pumperesonatoren , et utgangsspeil (24) anbragt ved en motstående ende av pumperesonatoren , en Q-vender (15a) anbragt mellom laserstaven og retroreflektoren og et ombrytende prisme (19) anbragt mellom laserstaven og utgangsspeilet, der pumperesonatoren er innrettet til å stråle ut pumpeenergi med en første på forhånd bestemt bølgelengde mellom den første retroreflektoren og utgangsspeilet, og en Råman resonator (12) omfattende: en Ramangasscelle (21) med første (22) og andre (23) linser anbragt ved motstående ender av denne for fokusering av laserenergi inn i Ramancellen,karakterisert ved at retroreflektoren (16) danner én ende av Ramanresonatoren og utgangsspeilet danner en motstående ende av Ramanresonatoren, der prismet (19) er anbragt mellom retroreflektoren og den første linsen, og der Ramanresonatoren er innrettet til å stråle ut Ramanlaserenergi med en andre på forhånd bestemt bølgelengde mellom retroreflektorer og utgangsspeilet.