NO128041B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordning til å regulere forsterkningen

i en laser.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte bg en anordning til å regulere forsterkningen i en laser med en fast laserkropp og tar særlig sikte på å skaffe en nøytralisering av den temperaturavhengige for-sterkningsvariasjon i lasermaterialet.

En laserkrystall er sterkt temperaturavhengig, og dette gjelder ganske spesielt rubin. Det beror på de atomære egenskaper hos laserkrystallen. Således avtar varigheten'av den metastabile til-stand: i laserkrystallen med stigende temperaturj samtidig som forsterkningen av den stimulerte emisjon ("lasereffekten") avtar. Dette medfører .at der-ved høye temperaturer:kreves en'høy eksitåsjohsenergi (pumpeenergi) j Hvis laseren.-skal arbeide innen et bredt températur-område, f.eks* fra.-50 til-+60°C, og eksitasjonsehergiei rvelges tilstrekkelig høy til at;laseren-vil arbeide'tilfredsstillende ved den ' ' øvre grense for temperaturområdet, vil eksitasjonsenergien bli for høy ved lave temperaturer. Dette medfører vanskeligheter særlig ved' Q-pulsede lasere, for på grunn av den store forsterkning ved lave temperaturer blir der frembragt dobbeltpulser hvis den tilførte pumpeenergi er for stor. For å få enkeltpulser, noe som særlig er ønskelig hvis laseren anvendes for avstandsmåling, kan man minske pumpeenergien ved lave temperaturer, men de enkeltpulser som da fremkommer, får liten energi. For at der skal fås enkeltpulser med stor energi selv ved lave temperaturer, må den optiske forsterkning i laseren svekkes i forhold til forsterkningen ved høyere temperaturer.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en fremgangsmåte og en anordning til regulering av den optiske forsterkning i en laser, nærmere bestemt en slik regulering at den optiske forsterkning avtar ved synkende temperatur. Oppfinnelsen gjelder en laser av den art som innbefatter en fast laserkropp og en resonator med en speilanordning til å reflektere utgående stråler fra laserkroppen tilbake inn i laserkroppen, hvorunder laseren pumpes med et optisk pumpesystem hvorved der i laserkroppen blir frembragt et eksitasjonsnivå som er forskjellig i forskjellige deler av laserkroppen og dessuten er avhengig av temperaturen i dennes omgivelser.

I de fleste lasere med optiske pumpesystemer fås der i laserstaven en slik fordeling av eksiterte atomer at stavens sentrum er sterkest eksitert, mens eksitasjonsnivået nær stavens overflate neppe er tilstrekkelig til å gjøre det mulig å oppnå laservirkning. Eksita-sjonens fordeling i laserstaven er bestemt ved pumpesystemets geometri og av lasermaterialets dopningsgrad. Hvis f.eks. pumpesystemet er forsynt med en elliptisk reflektor og laserstaven er anordnet med sin senterlinje sammenfallende med reflektorens ene fokallinje og der er anordnet en stavformet pumpelampe langs reflektorens annen fokallinje, vil eksitasjonsnivået avta nesten likt fra et maksimum ved stavens senterlinje i alle retninger radialt ut mot stavens overflate.

Eksitasjonsnivået bestemmer den optiske forsterkning, og denne vil således variere i laserkroppen på samme måte som eksitasjonsnivået. Dette forhold blir ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utnyttet ved at den nevnte speilanordning i avhengighet av temperaturforandringer i laserkroppens omgivelser forskyves i en slik retning at utgående stråler fra laserkroppen etter å være reflektert av speilanordningen vender tilbake gjennom slike deler av laserkroppen som har et eksitasjonsnivå i et ønsket forhold til temperaturen i laserkroppens omgivelser, nærmere bestemt et slikt forhold at forsterkningen avtar med synkende temperatur.

Anordningen ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at den innbefatter påvirkningsorganer til å påvirke speilanordningen i avhengighet av temperaturvariasjoner i laserkroppens omgivelser på.en slik måte at stedet for en reflektert stråles fornyede inngang i laserkroppen varierer i avhengighet av de nevnte temperaturforandringer.

I Q-pulsede lasere utgjøres det totalreflekterende speil i. resonatoren vanligvis av et fast eller roterende møneprisme, også kalt Porro-prisme. Hovedsnittet i et slikt prisme har form av en rettlinjet, likebenet trekant, og mønekanten er den kant hvor de på hinannen .lodd-rette sider møtes. Ved hjelp av et slikt prisme er det lettvint mulig å skaffe en forsterkningsregulering i henhold til oppfinnelsen ved at prismet anordnes bevegelig slik at dets mønekant kan forskyves loddrett på laserstavens lengderetning, hvorved der fås en variasjon i den optiske forsterkning som nærmere beskrevet i det følgende. Forskyvningen av møneprismet kan skje ved hjelp av påvirkningsorganer som styres av temperaturfølsomme anordninger slik at forsterkningen varierer i avhengig» het av temperaturen.

Oppfinnelsen vil bli belyst nærmere i det følgende under henvisning til tegningen. Fig. 1 og 2 anskueliggjør oppfinnelsens prinsipper skjematisk.

Fig. 3 og 4 viser skjematisk to forskjellige anordninger til

å regulere forsterkningen hos laseren automatisk i avhengighet av temperaturen.

På fig. 1 og 2 er der vist en laserstav 1, som f.eks. kan utgjøres av en stavformet rubin. Ved den ene ende av laserstaven 1

er der anordnet et totalreflekterende møneprisme 2. De øvrige anordninger som inngår i et komplett lasersystem, som pumpesystem og et halvgjennomskinnelig speil ved den annen ende av laserstaven, for-utsettes å være utført på kjent måte og er derfor ikke vist på tegningen.

På fig. 1 og 2 er der over laserstaven 1 inntegnet en kurve som viser hvorledes eksitasjonsnivået og dermed den optiske forsterkning varierer over laserstavens tverrsnitt. Som det fremgår av denne kurve, har eksitasjonen et maksimum langs laserstavens senterlinje,,

og avtar praktisk talt symmetrisk ved økende avstand fra denne.

På fig. 1 er prismet 2 vist med sin mønekant i forlengelsen av senterlinjen for laserstaven 1, d.v.s. på linje med eksitasjons-maksimum i laserstaven. Når prismet 2 inntar denne stilling i forhold til laserstaven 1, vil en utgående stråle fra laserstaven bli reflektert av prismet 2 tilbake inn i laserstaven langs en vei hvor eksitasjonsnivået er omtrent det samme som i området for den utgående stråles passasje gjennom staven. Herved fås den maksimalt mulige optiske forsterkning i laserstaven. Arbeider laseren ved høy temperatur, bør prismet 2 derfor innta stillingen på fig. 1 i forhold til laserstaven 1 for at laseren skal arbeide tilfredsstillende med minst mulig pumpeenergi.

Ved lave temperaturer medfører imidlertid denne stilling av prismet 2 at den optiske forsterkning blir så stor at laseren ved uforandret pumpeenergi frembringer dobbeltpulser. Man kan oppnå enkeltpulser ved å minske pumpeenergien, men de derved frembragte enkeltpulser får altfor liten energi.

I samsvar med oppfinnelsen blir nå den optiske forsterkning ved lave temperaturer minsket ved at prismet 2 forskyves slik at dets mønekant ikke lenger blir liggende på linje med eksitasjons-senteret. Dette er anskueliggjort på fig. 2, hvor prismet 2 er vist i en slik stilling at dets mønekant er sideforskjøvet i rett vinkel et stykke d fra eksitasjonssentret i laserstaven 1.

Ved totalrefleksjon i et møneprisme fås en prallellforskyvning mellom innfallende og utgående stråle'r. Avstanden mellom innfallende og utgående stråler er bestemt ved den innfallende stråles avstand fra prismets mønelinje og er lik den dobbelte av denne avstand. Forskyvningen av prismet i forhold til laserstavens eksitasjonssentrum, som vist på fig. 2, resulterer følgelig i at den stråle som før inn-gangen i prismet passerte gjennom eksitasjonssentret, etter reflek-sjon i prismet vender tilbake gjennom et område i laserstaven 1 med lavere eksitasjon. Forsterkning av lyset ved dobbeltpassasjen gjennom laserstaven (en forsterkning som er proporsjonal med produktet av forsterkningen ved de to enkeltpassasjer) er i dette tilfelle svakere enn i tilfellet av at prismets underkant ligger på linje med laserstavens eksitasjonssentrum. Denne forsterkningsminskning gjør det mulig å frembringe enkeltpulser med høy energi selv ved lave temperaturer.

For at kravene til liten pumpeenergi ved høye temperaturer

og stor enkeltpulsenergi ved lave temperaturer skal oppfylles, må

stillingen av møheprismet 2 variere med temperaturen. I dette øyemed kan prismet 2 være montert i en holder som kan forskyves manuelt f.eks. ved hjelp av en skruespindel. ben nødvendige stillingsendring av prismet 2 i avhengighet av temperaturen kan imidlertid også skje automatisk under anvendelse av passende temperaturfølere. Fig. 3 og 4 viser eksempler på slike.

Ved anordningen på fig. 3 er prismet 2 montert i en holder

3, som i punktene 6 og 7 er hengslet på to bimetallfjærer 4 og 5 som er innfestet i et fast underlag 8. Utførelsen er slik at prismet 2 inntar den på fig. 1 viste stilling i forhold til laserstaven ved en høyeste temperatur laseren er bestemt til å arbeide ved. Ved synkende temperatur blir bimetallfjærene 4 og 5 krummet slik at prismet 2 blir ført bort fra denne stilling.

Ved anordningen på fig. 4 er prismet 2 likeledes montert i

en holder 3. Denne kan gli på et fast underlag 15. Ved siden av laserstaven 1 er der anordnet en langstrakt beholder 9 fylt med væske 10, som hensiktsmessig kan være kvikksølv. Beholderen 9 står via et rør 11 i forbindelse med en sylinder 12 som glidbart opptar et stempel 13 hvis stempelstang er forbundet med prismeholderen 3. Mellom den annen ende av prismeholderen 3 og et fast mothold 16 er der plasert en trykkfjær 14. Ved temperaturforandringer varierer volumet av væsken 10, hvorved prismeholderen 3 vil bli forskjøvet under virkningen av stempelet 13 og fjæren 14. Ved halvkontinuerlig drift, hvor laserstavens temperatur kan overstige omgivelsestemperaturen betydelig,

er dét gunstig å plasere beholderen 9 nær lasérstaven 1, så dennes temperatur kan avføles bedre enn ved en plasering som vist på fig. 3.

I Q-pulsede lasere blir det totaltreflekterende prisme 2 ofte benyttet for pulsingen, idet prismet bringes til å rotere om

en akse som står loddrett på mønekanten. I dette tilfelle kan driv-anordningen for rotasjon av prismet være montert sammen med dette på en egnet holder som forskyves i avhengighet av temperaturen på samme måte som beskrevet ovenfor.

Anordningene til å forskyve prismet i avhengighet av temperaturen kan selvsagt utføres på mange andre måter enn dem som er anskueliggjort på figurene 3 og 4.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte.til å regulere forsterkningen, i en. laser,som innbefatter en fast laserkropp. og en .resonator. med en speilanordning. til å reflektere utgående stråler fra laserkroppen tilbake inn. i laserkroppen/ hvorunder laseren pumpes med et optisk pumpesystem hvorved der. i laserkroppen blir. frembragt, et eksitasjonsnivå som er forskjellig, i forskjellige deler, av laserkroppen og dessuten er avhengig av temperaturen i dennes, omgivelser, karakterisert ved at den nevnte speilanordning i..avhengighet av temperaturforandringer . i laserkroppens omgivelser forskyves i en. slik retning, at utgående stråler fra laserkroppen etter å være reflektert av speilanordningen ; vender tilbake gjennom slike deler av laserkroppen ,som. har et eksitasjonsnivå i et ønsket forhold til. temperaturen, i .laserkroppens omgivelser, nærmere bestemt et slikt forhold at forsterkningen avtar med synkende temperatur.

2. Anordning til på en måte som angitt i.krav l,å regulere forsterkningen i en laser som innbefatter en fast laserkropp og en resonator med en speilanordning til å reflektere utgående stråling fra laserkroppen tilbake inn i laserkroppen, hvorunder laseren pumpes med et optisk.pumpesystem hvorved der i laserkroppen blir frembragt et eksitasjonsnivå som er forskjellig i forskjellige deler av laserkroppen og dessuten er avhengig av temperaturen i laserkroppens omgivelser, karakterisert ved at den innbefatter.påvirkningsorganer til å påvirke speilanordningen i.avhengighet.ay temperatur-, variasjoner i laserkroppens omgivelser på en.slik måte,at stedet for en reflektert stråles fornyede inngang i laserkroppen varierer i avhengighet av de nevnte temperaturforandringer.

3. Anordning, som angitt i krav 2, karakterisert ved at den nevnte speilanordning innbefatter et møneprisme (2), og at det nevnte påvirkningsorgan er innrettet til å forskyve møneprismet slik at dets mønelinje blir forskjøvet i rett vinkel til laserkroppens (1) senterlinje.

4. Anordning som angitt i krav 2 eller 3, kar a k t e r- i■ - s e r t ved at det nevnte påvirkningsorgan innbefatter en temperatur-følsom anordning (4, 3 på fig. 3, 9-13 på fig. 4) som avføler temperaturen i laserkroppens (1) omgivelser og regulerer påvirkningen av speilanordningen (2) i avhengighet av denne temperatur.

5. Anordning som angitt i krav 3 og 4, karakterisert ved at påvirkningsorganet med den temperaturfølsomme anordning er utført slik at møneprismet ved en relativt høy temperatur i laserkroppens omgivelser holdes i en slik stilling at dets mønelinje befinner seg på linje med et område for maksimal eksitasjon i laserkroppen (fig. 1) og ved synkende temperatur forskyves fra denne stilling (fig. 2).

6. Anordning som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert ved pt den temperaturfølsomme anordning utgjøres av et bimetall-system (fig. 3).

7. Anordning som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert ved at den temperaturfølsomme anordning innbefatter en beholder (9) inneholdende en væske (10), f.eks. kvikksølv, og en stempel-anordning (13) som er tilsluttet beholderen og påvirkes av væsken under dennes volumforandringer med temperaturen.