DE2143829A1

DE2143829A1 - LASER OSCILLATOR

Info

Publication number: DE2143829A1
Application number: DE19712143829
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Dr Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-01
Filing date: 1971-09-01
Publication date: 1973-03-08
Also published as: DE2143829C3; DE2143829B2

Description

Iaseroszillator Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laseroszillator, der aus einem aktiven Medium und einem optischen Resonator besteht.Laser oscillator The present invention relates to a laser oscillator, which consists of an active medium and an optical resonator.

Laseroszillatoren, insbesondere Hochleistungsfestkörperlaser, ur molekularen Erzeugung und Verstärkung kohärenter Nicht energie durch stimulierte Emission, erlangen eine immer stärkere Bedeutung. Die stimulierte Emission erreicht man dabei durch Zuführen von Pupenergie, bis das aktive Material zur Inversion angeregt ist.Laser oscillators, especially high-power solid-state lasers, are ur molecular Generation and amplification of coherent non-energy through stimulated emission an ever increasing importance. The stimulated emission is achieved through Applying pup energy until the active material is stimulated to inversion.

Sind die Phasen und Richtungen der ausgesandten Strahlungsenergien verschieden, so wird von der sog. "spontanen Emission" gesprochen. Sie ist inkohärent, für eine Verstärkung nicht geeignet und wird als Rauschen bezeichnet.Are the phases and directions of the emitted radiant energies different, the so-called "spontaneous emission" is used. She's incoherent not suitable for amplification and is referred to as noise.

I)er Verstärkungsmechanismun beruht dagegen auf der sog.I) the reinforcement mechanism, on the other hand, is based on the so-called

"induzierten Emission". In diesem Falle haben die Strahlungsenergien gleich Phase und gleiche Richtung. Die elektromagnetische Strahlung ist daher kohärent und wegen der Quantenverdopplung verstärkt."induced emission". In this case they have radiant energies same phase and same direction. The electromagnetic radiation is therefore coherent and reinforced because of the quantum doubling.

Im optischen Bereich stehen Pumpenergiequellen, deren Gesamtenergie gleiche Frequenz und gleiche Phase haben, mit ausreichender Leistung nicht zur Verfügung. Die durch die Lichtenergie angeregten Quantenübergänge erfolgen deshalb auch nicht gleichphasig. Hier kann die Synchronisation der Emission der Teilchen durch Selektion von nach Phase und Frequenz bestimmten, angeregten Lichtwellen und deren Ausnutzung zur Steuerung von Quantenübergängen im Sinne einer stimulierten emission herbeigeführt werden, Zur Durchfahrung dieser Selektion wird das aktive Material, beispielsweise ein Kristall, in einem optischen Resonator angebracht Wird ein solcher Laseros2;illator von einer Almplichtguelle bis zur Inversion ausgeleuchtet, so werden lediglich die angeregten Wellen, die längs der Stabachse des Kristalls laufen, an den Endflächen des Resonators reflektiert. Anf dem Rüchzeg lösen sie in den angeregten Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen derselben Frequenz und Phase aus, so daß sich ein verstärkender Wellenzug ausbildet, der sich bei laufender Zufuhr von m-impenergie weiter verstärkt, und bei richtiger Dimensionierung des Resonators zur Ausbildung stehender Wellen führt. Eine Auskopplung der auf diese Weise erzeugten kohärenten Lichtenergie aus dem Resonator wird dadurch ermöglicht, daß eine der beiden Resonatorendflächen teildurchlässig ausgebildet ist.In the optical area there are pump energy sources and their total energy have the same frequency and phase, with sufficient power not available. The quantum transitions excited by the light energy therefore also do not take place in phase. Here the synchronization of the emission of the particles can be achieved through selection of excited light waves determined by phase and frequency and their utilization brought about the control of quantum transitions in the sense of a stimulated emission To go through this selection, the active material, for example a crystal, placed in an optical resonator. Such a laser os2; illator Illuminated from an alpine source to inversion, only the excited waves running along the rod axis of the crystal at the end faces reflected by the resonator. At the beginning they dissolve in the excited atoms, which traverse it, produce more waves of the same frequency and phase, so that each other a reinforcing wave train is formed, which is created with the continuous supply of m-impenergie further amplified, and with correct dimensioning of the resonator for training standing waves. A decoupling of the coherent ones generated in this way Light energy from the resonator is made possible by the fact that one of the two resonator end faces is formed partially permeable.

Wie umfangreiche Untersuchungen an derartigen Laseroszillatoren gezeigt haben, ist der Grad der Selektion trotz sorgfältigster Herstellung relativ klein. Insbesondere zeigt sich, daß der Querschnittsbereich, in dem sich die in Längsrichtung der Resonatorachse verlaufenden Grundmoden des betreffenden Resonators darstellenden Vellen ausbilden, nur einen Bruchteil seiner geometrischen Querschnittsfläche einnimmt, und daß sich darüber hinaus im gesamten Querschnitt eine Fülle von Wellen höherer Ordnung ausbilden. Da der Resonator Wellen vom axialen Grundtyp vor allen anderen Wellentypen höherer Ordnung bevorzugt, führt dies insbesondere bei Laseroszillatoren für die Erzeugung von Riesenimpulsen zu einer stark unterschiedlichen Energiedichtverteilung im Resonatorquerschnitt und damit gerade bei Verwendung von aktiven Kristallen zu einer Gradientenbildung des Brechungsindex und zu einer Krümmung der Endflächen. Es bilden sich komplizierte Linseneffekte aus, die eine Verwendung größerer Materialquerschnitte in nahezu beugungsbegrenzter Emission verhindern.As shown by extensive studies on such laser oscillators the degree of selection is relatively small despite the most careful production. In particular, it is found that the cross-sectional area in which the in the longitudinal direction the fundamental modes of the resonator in question, which run along the resonator axis Form waves, occupy only a fraction of its geometric cross-sectional area, and that, in addition, there is an abundance of waves higher up in the entire cross-section Develop order. Because the resonator waves of the basic axial type before all others Higher-order wave types are preferred, this leads to laser oscillators in particular for the generation of giant pulses with a very different energy density distribution in the resonator cross-section and thus especially when using active crystals a gradient formation of the refractive index and a curvature of the end faces. Complicated lens effects are formed that require the use of larger material cross-sections prevent in almost diffraction-limited emission.

Es wurde bereits vorgeschlagen (siehe unsere ältere Patentanmeldung P 15 64 637.4, OS 1 564 637) die Kompensation thermisch bedingter Effekte in Laseroszillatoren durch geeignete Formgebung der Endflächen des aktiven Materials oder durch Einbringen einer Korrekturplatte in den Resonator vorzunehmen. Diese Kompensation kann jedoch nur näherungsweise durchgeführt erden, da die Formgebung sowohl der Endflächen des aktiven IS1erials als auch der Korrekturplatte notwendigerweise einfach geiialten werden muß.It has already been suggested (see our earlier patent application P. 15 64 637.4, OS 1 564 637) the compensation of thermally induced effects in laser oscillators by appropriate shaping of the end faces of the active material or by incorporation a correction plate in the resonator. However, this compensation can ground only approximately, since the shape of both the end faces of the active IS1erials as well as the correction plate are necessarily easy to use must become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Verwirklichung eincs Laseroszillators der einleitend beschriebenen Art einen-Lösungsweg anzugeben, der die geschilderten Schw:Lerigkeiten beseitigt und eine vollständigere Kompensation der thermisch bedingten Effekte als bei der bekannten Anordnung ermöglicht.The invention has for its object to implement eincs Laser oscillator of the type described in the introduction to provide a solution that the difficulties described: Eliminated and a more complete compensation the thermally induced effects than in the known arrangement.

Ausgehend von einem Laseroszillator, der aus einem aktiven Medium und einem optischen Resonator besteht, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im optischen Resonator ein als Phasenplatte wirkendes Hologramm angeordnet ist, das die im Laseroszillator entstehenden komplexen Wellenfronten in beugungsbegrenzte Wellenfronten umwandelt, um so die durch thermische Gradientenbildung in laserstäben entstehenden Effekte zu kompensieren.Starting from a laser oscillator that consists of an active medium and an optical resonator, this object is achieved according to the invention solved that a hologram acting as a phase plate is arranged in the optical resonator is that the complex wavefronts arising in the laser oscillator were diffraction-limited Converts wavefronts to the effect of thermal gradient formation in laser rods to compensate for the resulting effects.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß die Funktion eines Laseroszillators im wesentlichen durch thermische Effekte beherrscht wird. Insbesondere entsteht beider Ausleuchtung des Resonators im aktiven Material ein im allgemeinen senkrecht zur Resonatorachse verlaufender thermischer Gradient, der sich neben der bei festen aktiven Materialien beobachtbaren Deformation durch einen in der Querschnittsetene des Resonators ortsabhängigen Brechungsindex auswirkt. Ein an sich gerader Resonator mit planparallelen Endflächen wirkt dadurch wie ein gekrümmter Resonator. Dic Folge des sich im Inneren des Resonators auf gekrümmten Bahnen ausbreitenden Lichtes, zeigt sich in der starken Verkleinerung des an sich vorhandenen Querschnitts, in dem sich die Wellen 0. Ordnung ausbreiten.The invention is based on the essential knowledge that the function of a laser oscillator is essentially dominated by thermal effects. In particular, when the resonator is illuminated in the active material, a thermal gradient generally perpendicular to the resonator axis, the in addition to the deformation observed in solid active materials by a affects the location-dependent refractive index in the cross-section of the resonator. A resonator, which is straight in itself, with plane-parallel end faces, acts like a curved resonator. The consequence of being inside the resonator on curved paths of spreading light, shows itself in the strong reduction in size of the existing cross-section in which the waves of the 0th order propagate.

Ein geeignet ausgestaltetes Hologramm wirkt als eine ideale Phasenplatte im schwingenden Oszillator, wobei eine vom total reflektierenden Resonatorspiegel ausgehende, ideal beugungsbegrenzte Welle, die im Kristall thermisch deformiert wird, beim Auftreffen auf das Hologramm eine ideal beugungsbegrenzte Welle rekonstruiert. Trotz interner Verzerrung der Wellenfronten, ist also bei dieser Anordnung gewährleistet, daß der Resonator aberrationsfrei ist.A suitably designed hologram acts as an ideal phase plate in the vibrating oscillator, one being from the totally reflecting resonator mirror outgoing, ideally diffraction-limited wave that thermally deforms in the crystal an ideally diffraction-limited wave is reconstructed when it hits the hologram. Despite internal distortion of the wavefronts, this arrangement ensures that that the resonator is free of aberrations.

Vorzugsweise weist das Hologramm eine Interferenz struktur auf, die durch Überlagerung einer ebenen Welle mit einer durch das Lasermaterial deformierten Welle entsteht.The hologram preferably has an interference structure that by superimposing a plane wave with one deformed by the laser material Wave arises.

Das Hologramm kann insbesondere als dickes Volumen-Phasenhologramm ausgebildet sein, für das ein Wirkungsgrad nahe 100 ffi erreichbar ist.The hologram can in particular be a thick volume phase hologram be designed for which an efficiency close to 100 ffi can be achieved.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Hologramm ein dickes Phasenhologramm in Lippmann-Bragg-Ausführung.In another embodiment of the invention, the hologram is a thick phase hologram in Lippmann-Bragg design.

Besonders günstig ist es, wenn in diesem Fall das Hologramm selbst die Funktion des einen Resonatorspiegels übernimmt.It is particularly favorable if, in this case, the hologram itself takes over the function of a resonator mirror.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen als Phasenplatte wirkenden Hologramms geschieht unter Verwendung des Lasermaterials selbst, dessen thermische Effekte zu kompensieren sind. Der Laserstab wird mit der vorgegebenen Pumpleitung belastet, ohne daß Jedoch Laserschwingungen zugelassen werden.The production of the hologram according to the invention which acts as a phase plate happens using the laser material itself, its thermal effects are to be compensated. The laser rod is loaded with the specified pump line, However, without laser vibrations being allowed.

Dies erreicht man beispielsweise durch Entfernen eines der Spiegel. Aus einem zweiten aseroszillator gleicher Wellenlänge, der bei kleiner Leistung beugungsbegrenzt schwingt, wird eine ideal ebene Welle paraxial in den thermisch deformierten Stab eingestrahlt. Das den Laserstab deformiert verlassende Bündel trifft auf ein lichtempfindliches Aufzeichnungsmedium, wo ihm eine aus der gleichen Lichtquelle abgeleitete ideal ebene Welle verlagert wird, so daß ein Hologramm entsteht, für das die deformierte Welle und die ideale Welle Obåext- und Referenzwellen sind.This can be achieved, for example, by removing one of the mirrors. From a second aero oscillator of the same wavelength, the one at smaller Power oscillates diffraction-limited, an ideal plane wave becomes paraxial in the thermally deformed rod irradiated. The one that leaves the laser rod deformed The bundle hits a photosensitive recording medium where one of the same light source derived ideal plane wave is shifted, so that a hologram arises, for which the deformed wave and the ideal wave are Obåext and reference waves are.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figur näher erläutert werden.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the figure.

Der schematisch dargestellte Laseroszillator zeigt ein aktives Lasermaterial 1, das von einer hier nicht gezeichneten Pumpanordnung umgeben ist, beispielsweise einem rotationselliptischen Hohlzylinder. Mit 2 und 3 sind die Resonatorspiegel bezeichnet und mit 4 das als Phasenplatte wirkende Hologramm. Das Hologramm 4 kann dabei entweder als Volumen-Phasenhologramm ausgebildet sein, oder als Lippmann-Bragg-Hologramm. Im letzteren Fall kann das Hologramm 4 die Funktion des Spiegels 3 übernehmen.The laser oscillator shown schematically shows an active laser material 1, which is surrounded by a pump arrangement not shown here, for example a rotationally elliptical hollow cylinder. With 2 and 3 are the resonator mirrors and with 4 the hologram acting as a phase plate. The hologram 4 can be designed either as a volume phase hologram or as a Lippmann-Bragg hologram. In the latter case, the hologram 4 can take over the function of the mirror 3.

Statt des gezeichneten planparallelen Resonators mit ebenen Spiegeln 2, 3 kann ebenfalls ein gekrümmter Resonator verwendet werden. In diesem Fall werden bei der Herstellung des Hologramms die idealen Wellenfronten als Eugelwellen ausgebildet. Dabei ist es insbesondere möglich, durch Änderung der effektiven Resonatorlänge in boher Näherung der bei Steigerung der Pumprate gesetzmäßig zunehmenden Verkrümmung der Resonatorwellen zu begegnen.Instead of the drawn plane-parallel resonator with plane mirrors 2, 3 a curved resonator can also be used. In this case it will be When producing the hologram, the ideal wavefronts are designed as Eugel waves. It is particularly possible by changing the effective resonator length in a boher approximation of the curvature that increases by law when the pumping rate is increased to counter the resonator waves.

Grundsätzlich ist es im Rahmen des Erfindungsgedankens auch möglich, die in einem deformierten Laserstab entstehende komplexe Wellenfront außerhalb des Laserresonators durch ein analog hergestelltes Hologramm in eine ideal beugungsbegrenzte Welle umzuformen. Wegen der geringen Reproduzierbarkeit der deformierten Wellenfront verspricht jedoch die Einbeziehung des Hologramms in den Resonator prinzipielle Vorteile.In principle, it is also possible within the scope of the inventive concept, the complex wavefront created in a deformed laser rod outside the Laser resonator through an analog hologram into an ideally diffraction-limited wave to reshape. Promises because of the low reproducibility of the deformed wavefront however, the inclusion of the hologram in the resonator has fundamental advantages.

Mit dem erfindungsgemäßen Laseroszillator ist eine Verbesserung des beugungsbegrenzten Impulswirkungsgrades um einen Faktor 20 und des beugungsbegrenzten kontinuierlichen Wirkungsgrades um einen Faktor 50 möglich.With the laser oscillator according to the invention is an improvement of the diffraction-limited pulse efficiency by a factor of 20 and the diffraction-limited continuous efficiency by a factor of 50 possible.

5 Patentansprüche 1 Figur5 claims 1 figure

Claims

P a t e n t a n 3 ü c h e laser oscillator, consisting of an active Medium and an optical resonator, thereby g e k e n n n z e i c h -n e t that a hologram acting as a phase plate is arranged in the optical resonator, that diffraction-limited the complex wavefronts created in the laser oscillator Converts wavefronts.

2. Laser oscillator according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the hologram has an interference structure that is caused by superposition a plane wave with a wave deformed by the laser material.

3. Laser oscillator according to claims 1 and 2, characterized g e -k e n n notes that the hologram is a volume phase hologram.

4. Laser oscillator according to claims 1 and 2, thereby g e - -k e n It should be noted that the hologram is a Lippmann-Bragg hologram.

5. Laser oscillator according to claim 4, characterized in that g e k e n n -z e i c It does not mean that the hologram is also a resonator mirror.

L e r s e i t e