DD147441A1

DD147441A1 - Kompakter durchstimmbarer laser

Info

Publication number: DD147441A1
Application number: DD21715979A
Authority: DD
Inventors: Arkadi Rosenfeld; Stephan Mory; Helmut Becker-Ross; Rainer Hultzsch
Original assignee: Arkadi Rosenfeld; Stephan Mory; Becker Ross Helmut; Rainer Hultzsch
Priority date: 1979-11-27
Filing date: 1979-11-27
Publication date: 1981-04-01

Abstract

Der Laser ist fuer den Einsatz aller aktiven Lasermaterialien geeignet. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, sowohl den Laserresonator als auch die Durchstimmelemente und die Art der Durchstimmung so auszugestalten, dasz die Resonatorlaenge kurz gehalten und der Laser ueber einen weiten Spektralbereich durchgestimmt und einfach justiert werden kann. Der Laser besteht aus einem Luftspalt-Fabry-Perot-Filter zur spektralen Durchstimmung und dem aktiven Material zwischen zwei Resonatorspiegeln, wobei die genannten Elemente zu einer bezueglich des Pumpstrahls bewegbaren Lasereinheit fest verbunden sind. Die Flaechen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, sind zylinderfoermig ausgebildet und das Filter ist so angeordnet, dasz der konvex gekruemmte Luftspalt der Kuevette benachbart ist. Die Lasereinheit ist senkrecht zur optischen Achse des Lasers und senkrecht zur Zylinderachse der zylinderfoermigen Flaechen verschiebbar. Es koennen auch andere Luftspaltformen, wie Keilform, gewaehlt oder zur Durchstimmung ein Strahldeflektor eingesetzt werden.

Description

Dr. Arkadi Rosenfeld Berlin, 15. 11. 1979

Dr. Stephan Могу

Dr. Helmut Becker-Roß

Dr« Rainer Hultzsch

Zustellungsbevollmächtigt:

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 5

Kompakter durchstimmbarer Laser

Anwendungsgebiet der Erfindung

Der kompakte durchstimmbare Laser ist für den Einsatz aller aktiven Lasermaterialien geeignet und kann auf Grund seiner kleinen Abmessungen und guten Durchstimmbarkeit über einen weiten Spektralbereich für viele Zwecke in Chemie, Medizin, Biologie und Technik eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durchstimmbare Laserresonatoren sind bekannt. Dabei werden als Durchstimmelemente Interferenzfilter, Fabry-Perot-Filter, Reflcxionsgitter in Verbindung mit Aufweitungssystemen, Prismen und Lyotfilter bzw. Kombinationen aus

diesen Elementen benutzt

(St. Могу und H. Becker-Roß, Exp. Technik der Physik 2X, 359 (1979) );

(John P. Goldsborough, IEEE Quantum-Electronics Conference, Amsterdam 1978)·

Derartige Laserresonatoren weisen wegen der eingesetzten Mittel zur Halterung und Justierung der Durchstimmelemente eine Baugröße auf, die für viele Anwendungszwecke unvorteilhaft ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen kompakten, durchstimmbaren, einfach justierbaren Laser verfügbar zu haben.

Darlegung des Y/esens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl den Laserresonator als auch die Durchstimmelemente und die Art der Durchstimmung so auszugestalten, daß die Resonatorlänge kurz gehalten und der Laser über einen weiten Spektralbereich durchgestimmt werden kann . Die Aufgabe wird bei einem Laser, bestehend aus einem Luftspalt-Fabry-Perot-Filter zur spektralen Durchstimmung und dem aktiven Material zwischen zwei Resonatorspiegeln, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Luftspalt-Fabry-Perot-Filter, die Küvette für das aktive Material und die zwei Resonatorspiegel zu einer bezüglich eines Pumpstrahls bewegbaren Lasereinheit fest verbunden sind. Die Flächen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, sind zylinderförmig ausgebildet, oder genügen der Funktion

у = I |z2-1 - 1 arccosh (-z). (1)

Das Filter ist so angeordnet, daß der konvex gekrümmte Luftspalt der Küvette benachbart ist. Die Lasereinheit ist senkrecht zur optischen Achse des Lasers und senkrecht zur Zylinderachse der zylinderfdrmigen Flächen verschiebbar.

Die Flächen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, können auch eben und in definiertem V/inkel zueinander geneigt sein. In dem Fall ist die Lasereinheit senkrecht zur optischen Achse des Lasers und senkrecht zur Schnittlinie der geneigten, den Luftspalt begrenzenden Flächen verschiebbar.

Eine weitere Ausführung des Filters besteht darin, die den Luftspalt begrenzenden Flächen zylinderförmig auszubilden und so anzuordnen, daß die im Schnittpunkt der optischen Achse des Lasers mit den genannten Flächen errichteten Tangenten in definiertem Winkel zueinander geneigt sind. Zur spektralen Durchstimmung ist der Abstand der Flächen veränderbar. Zur Einstellung der Bandbreite des Lasers ist die Lasereinheit senkrecht zur optischen Achse des Lasers und senkrecht zu den Zylinderachsen der zylinderförmigen ELächen verschiebbar. Zur elektrischen Durchstimmung der Wellenlänge sind die den Luftspalt begrenzenden Flächen eben und parallel und ist zwischen dem Fabry-Perot-Filter und der Küvette ein elektrooptischer Deflektor angeordnet. Der Resonatorspiegel auf der Seite des Fabry-Perot-Filters ist so gekrümmt, daß der Laserstrahl in die gepumpte Zone des aktiven Materials in der Küvette zurückreflektiert wird. Um den erfindungsgemäßen Laser besonders klein zu halten, kann das Luftspalt-Fabry-Perot-Filter mit der Küvette direkt fest verbunden sein und die Resonatorspiegel können durch dielektrische Reflexionsbeläge auf der äußeren Küvettenwand und der äußeren Platte des Fabry-Perot-Filters gebildet sein»

Die spektrale Durchstimmung erfolgt durch die oben angeführten Verschiebungen der Resonatoreinheit, durch Änderung des Abstandes der Filterplatten oder durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an den elektrooptischen Deflektor.

Im Fall des Fabry-Perot-Filters mit zylinderförmigem Luftspalt ist die Wellenlängenänderung mit der Verschiebung χ der Resonatoreinheit proportional zu cosarcsin ^» wo r der Krümmungsradius ist. Eine lineare Abhängigkeit der Wellenlänge von der Verschiebung liegt vor, wenn die Filterflächen durch Formel (1) gegeben sind· Bs ist zu beachten, daß der Durchmesser des Laserstrahls klein gegenüber dem Krümmungsradius der Zylinderflächen gewählt wird.

Um die Emission des Lasers auf einer Wellenlänge zu gewähren, ist die Dicke des durchstrahlten Teils des Luftspalts des Fabry-Perot-Filters so zu wählen, daß der freie Spektralbereich des Filters doppelt so groß ist wie Verstärkungsbandbreite des aktiven Materials. Die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzenden Flächen sind je nach Pump- und Verstärkungsbedingungen zwischen 60 % und 95 % Reflexion zu verspiegeln.

Da der spektrale Durchstimmbereich des Lasers durch das spektrale Reflexionsvermögen der den Luftspalt begrenzenden Flächen beschränkt ist, wählt man für einen breitbandigen Arbeitsbereich des Lasers ein breitbandiges spektrales Reflexionsvermögen der den Luftspalt begrenzenden Flächen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Figo 1: einen Laser mit einem Fabry-Perot-Filter mit

zylinderförmigem Luftspalt, Fig« 2: einen Laser ir Λ einem Fabry-Perot-Filter mit keilförmigem Luftspalt,

Pig· 3ϊ einen Lase*r*mit gegeneinander verschiebbaren Filterplatten,

Fig. 4: einen Laser mit elektrooptischen! Deflektor·

Nach Fig. 1 wird der erfindungsgemäße kompakte, durchstimmbare Laser von dem aktiven Material 2 in der Küvette 3, den ResonatorspiegeJfl 4 und dem Fabry-Perot-Filter (FP-Filter) 1 mit zylinderförmigem Luftspalt gebildet. Er wird optisch transversal gepumpt, z· B. mit einem Stickstoff-Laser (nicht dargestellt). Die spektrale Durchstimmung erfolgt durch Verschieben der Lasereinheit senkrecht zur gepumpten Zone und zur Ausbreitungsrichtung des Pumplaserstrahls. Die Laserstrahlung läuft in Richtung der Laserachse 12. Durch die zylindrische Krümmung der den Luftspalt des FP-Filters begrenzenden Flächen wird beim Verschieben der Lasereinheit in Richtung des Pfeiles 10 ständig der Winkel des Laserstrahls am FP-Filter 1 geändert und zwar so, als ob ein planparalleles FP-Filter gedreht würde. Mit einem Abstand der zylindrischen Filterplatten von 3,5 /Um, einem Krümmungsradius von r = 30,6 mm und einer Verschiebung χ der Lasereinheit bis zu 12,5 nun erreicht man eine kontinuierliche Wellenlängenänderung bis zu 8 % bezogen auf die Ausgangswellenlänge. Die Abhängigkeit der Wellenlänge von der Verschiebung χ ist proportional zu cosarcsin ^.

Wählt man als Funktion der den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzenden Flächen у = tj |f ζ - 1 - ·* arccosh (-z), so ist die Beziehung zwischen der Verschiebung χ und Wellenlänge linear.

In Fig. 2 ist ein Laser mit einem FP-Filter 5 keilförmigen Luftspaltes dargestellt. Die spektrale Durchstimmung erfolgt hier ebenfalls durch Verschieben in Pfeilrichtung 10. Die Wellenlängenänderung ist hierbei aber nicht linear zur Verschiebung der Lasereinheit.

Fig. 3 zeigt einen Laser mit einem FP-Filter 8 in der Halterung 7, bei dem der Luftspalt keilförmig ausgebildet, aber von Zylinderflächen begrenzt ist. Die spektrale Durchstimmung erfolgt hierbei mittels eines piezoelektrischen Kristalls 6, der infolge einer entsprechend angelegten Spannung den Plattenabstand des FP-Filters 8 ändert· Die Bandbreite des Lasers kann verschieden eingestellt werden, je nachdem an welcher Stelle die Laserstrahlung durch das FP-Filter läuft.

Zur elektrischen Durchstimmung der Wellenlänge kann zwischen dem FP-Filter 9 mit planparallelem Luftspalt und der Küvette 2 ein optoelektronischer Strahldeflektor 11 angeordnet sein, s. Fig. 4» der den Strahl in Abhängigkeit von der angelegten Spannung unter verschiedenen Winkeln auf das FP-Filter lenkt, so als ob ein FP-Filter mit planparallelem Luftspalt gedreht würde. Es ist auch möglich, ein FP-Filter mit keilförmigem Luftspalt einzusetzen. Der Resonatorspiegel auf der Seite des FP-Filters ist so gekrümmt, daß der Laserstrahl in die gepumpte Zone des aktiven Materials in der Küvette zurückreflektiert wird.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Kompakter durchstimmbarer Laser, bestehend aus einem Luftspalt-Fabry-Perot-Filter zur spektralen Durchstimmung und dem aktiven Material zwischen zwei Resonatorspiegeln, gekennzeichnet dadurch, daß das Luftspalt-Fabry-Perot-Filter, die Küvette für das aktive Material und die zwei Resonatorspiegel zu einer bezüglich eines Pumpstrahls bewegbaren Lasereinheit fest verbunden sind.

2. Laser nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, zylinderförmig ausgebildet sind, daß das Fabry-Perot-Filter so angeordnet ist, &aQ der konvex gekrümmte Luftspalt der Küvette benachbart ist und daß die Lasereinheit senkrecht zur optischen Achse des Lasers und senkrecht zur Zylinderachse der zylinderförmigen Flächen verschiebbar ist.

3· Laser nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, der Funktion у = ^ ~yz - 1 - ^ arccosh (-z) genügen.

Laser nach Punkt 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, eben und in definiertem Winkel zueinander geneigt sind und daß die Lasereinheit senkrecht zur optischen Achse des Lasers und senkrecht zur Schnittlinie der geneigten, den Luftspalt begrenzenden Flächen verschiebbar ist.

Laser nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, zylinderfö'rmig ausgebildet und so angeordnet sind, daß die im Schnittpunkt der optischen Achse des Lasers mit den genannten Flächen errichteten Tangenten in definiertem Winkel zueinander geneigt sind, daß der Abstand der den Luftspalt begrenzenden Flächen veränderbar ist und daß die Lasereinheit senkrecht zur optischen Achse des Lasers und senkrecht zu den Zylinderachsen verschiebbar ist·

Laser nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen, die den Luftspalt des Fabry-Perot-Filters begrenzen, eben und parallel sind, daß zwischen dem Fabry-Perot-Filter und der Küvette ein .elektrooptischer Deflektor angeordnet ist und daß der Resonatorspiegel auf der Seite des Fabry-Perot-Filters so gekrümmt ist, daß der Laserstrahl in die gepumpte Zone des aktiven Materials in der Küvette zurückreflektiert wird.

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