LASER SYSTEM

Abstract: 1. A laser device with an emission in the 1.5 mu m region, comprising : a) a giant impulse laser (1 to 5), the resonator of which has a medium which can be activated by a pump light source, b) a Raman resonator (13) having a Raman-active medium which is arranged in a cavity bounded by an inlet window and an outlet window and can be activated by a beam of the giant impulse laser, which beam is focussed by means of focussing elements, and c) a mirror (12) which is dichroic with respect to the giant impulse laser and Raman wavelength and is arranged optically behind the Raman resonator (13), viewed in the direction of the beam, characterised in that d) the resonator of the giant impulse laser (1 to 5) produces a polarized beam, e) a directional isolator (6, 7) is arranged between the giant impulse laser (1 to 5) and the Raman resonator (13), the isolator being composed of a thin film polarizer (6) inserted in the Brewster angle in the path of the beam and a lambda/4 wave plate (7) directed perpendicularly to the path of the beam, f) the path of the beam is deflected before or after the directional isolator (6, 7) in a direction opposite to the starting direction, and g) the dichroic mirror (12) is adjusted so that the incident remainder of the beam of the giant impulse laser is deflected in such a manner (19) that it can no longer enter the Raman resonator (13).

Description: Laservorri chtung Die Erfindung betrifft einen Ramanlaser mit einer im 1,5 pm-Bereich liegenden Emission und einem Riesenimpulslaser, dessen Resonator ein von einer Pumplichtquelle anregbares Medium besitzt und mit einem weiteren Resonator verbunden ist, der ein durch den Riesenimpuls laser zur Emission von Impulsen anregbares ramanaktives Medium besitzt. Ein solcher Laser ist Gegenstand der DE-AS 21 44 201. Wie dort näher ausgeführt wird, ist es bisher jedoch nicht gelungen, ein Ramanmedium zur Aussendung von Strahlung hoher Energie mit einer zur Emissionswellenlänge von 1,5 um gleichen oder annähernd gleichen Wellenlänge anzuregen. Die Aufgabe der Erfindung wird in der Schaffung einer Möglichkeit gesehen, die im Wellenlängenbereich von etwa 1,06 bis 1,08 um liegende Strahlung eines gattungsgemässen Lasers in eine solche des Wellenlängenbereichs von 1,54 bis 1,57 um mit hoher Konversionseffizienz umzuwandeln. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Resonator des Riesenimpulslasers ein polarisierte Strahlung erzeugendes Medium enthält, dessen ausgesandte Strahlung über einen optischen Richtungsisolator in das aus stark komprimiertem Gas bestehende ramanaktive Medium des weiteren Resonators gelangt. Auf diese Weise gelingt durch Anregen des ramanaktiven Mediums eine aus Gründen des Augenschutzes wichtige Frequenzverschiebung der Pumpstrahlung um den Wert 2914 cm 1 Vorteilhaft ist es, dass als Medium zur Erzeugung polarisierter Strahlung ein Nd: Glas- oder ein Nd: YA103- oder ein Nd: YAG Laserstab Verwendung findet. Nd: YA103 besitzt eine Wellenlänge von 1,072 oder 1,079 um, die somit gegenüber derjenigen von ND: YAG mit 1,06 um leicht verschoben ist, während die Effizienzwerte gleich sind. Seine Strahlung ist bereits durch die Kristalleigenschaften streng linear polarisiert, wohingegen bei ND: YAG Kristallen keine Polarisation der Strahlung erkennbar ist. Darüberhinaus ist es auch von Vorteil, dass das ramanaktive Medium aus Methangas besteht, das auf einen Druck von grösser als 40 Bar komprimiert ist und in einer Zelle mit einer optischen Weglänge von mindestens 10 cm untergebracht ist. Erst solche Druckwerte führen bei zunehmender Baulänge der Methanzelle zu Konversionseffizienzwerten zwischen etwa 20 und 40 %. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Richtungsisolator in Strahlenverlaufsrichtung aus einem im Brewsterwinkel in den Strahlengang eingesetzten Dünnfilm-Polarisator und einer senkrecht zum Strahlengang ausgerichteten /4-Wellen- platte zusammensetzt. Dieser Isolator lässt linear polarisierte Strahlung des Pumplasers passieren und sperrt vor allem die von dem ramanaktiven Medium rückgestrahlte sogenannte Brillouin Streustrahlung, die eine Gefahr für die optischen Glieder des Lasers darstellt, weil die durch sie hervorgerufenen Beschädigungen ein schnelles Abfallen der Ausgangsenergie des Pumplasers zur Folge hätten. Die verbleibende Energie würde dann nicht mehr ausreichen, um die ,Schwelle des ramanaktiven Mediums zu überschreiten. Was die Anordnung der einzelnen optischen Glieder des Ramanresonators anbetrifft, so hat es sich in der Praxis als sinnvoll erwiesen, dass derselbe in Richtung Strahlenauskopplung aus einem Ramanspiegel, einem Fokussierelement, dem mit Ein- und Austrittsfenster versehenen ramanaktiven Medium - einer sogenannten Methan zelle -, einer Kollimatorlinse und einem dichroitischen Spiegel oder einem entsprechenden optischen Filter besteht. Zweckmässigerweise besitzt der Ramanspiegel hohe Transmission für die jeweilige Pumpwellenlänge und hohe Reflexion-für die erzeugte Ramanwellenlänge. In vorstehendem Zusammenhang ist es auch bedeutungsvoll, dass das Ein- und das Austrittsfenster sowie das Fokussierelement und die Kollimatorlinse unmittelbar vor dem Ein- bzw. nach dem Austrittsfenster mit je einem in die Mitte der Methanzelle gelegten Brennpunkt angeordnet sind. Der Brennpunkt in der Methanzelle kann aber auch an jede andere Stelle im Raum zwischen Ein- und Austrittsfenster gelegt werden. Darüberhinaus ist es zweckmässig, dass das optische Filter hohe Reflexion für die Zurückhaltung eines Energie-Restanteils der Pumpwellenlänge und hohe Transmission für die Ramanwellenlänge besitzt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass Fokussierelement, Ein- und Austrittsfenster sowie Kollimatorlinse zu einer kompakten Baueinheit zusammengefasst sind. Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt Fig. 1 das prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 das Blockschaltbild gemäss Fig. 1 - mit gefaltetem Strahlengang und Fig. 3 eine detaillierte Schemaskizze der Vor richtung gemäss Fig. 1. In dem Blockschaltbild der Fig. 1 sind die drei massgeblichen Baugruppen der erfindungsgemässen Vorrichtung in Serie geschaltet. Es handelt sich hierbei um den Riesenimpulslaser 1 bis 5, der in seiner erfindungsspezifischen Eigenschaft als Pumplaser dient. Dieser Laser sendet polarisierte Strahlung 18 in Richtung des ihm optisch nachgeschalteten Isolators 6, 7, was mit Richtungspfeilen angedeutet ist. Die den Richtungsisolator passierende Strahlung gelangt auf die Methanzelle 13, von der wiederum nur ein bestimmter Anteil über den Output 10' bis 12 ausgekoppelt wird. Von diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dasjenige der Fig. 2 lediglich dadurch, dass der Strahlengang im Bereich zwischen Isolator und Methanzelle mit Hilfe der zwei Umlenkelemente 14 und 15 um zweimal 900 umgelenkt wird, so dass er anschliessend in die zur Ausgangsrichtung entgegengesetzte Richtung verläuft. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Strahlengang auch in einem anderen Bereich gefaltet sein, oder aber er kann in diesem und/oder in einem anderen Bereich auch mehrfach gefaltet sein, ohne dass dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde. In Fig. 3 sind die drei Baugruppen von Fig. 1 mit ihren Einzelelementen dargestellt. Der Riesenimpulslaser 1 bis 5 besteht dabei aus einem polarisierte Strahlung 18 bzw. 18' erzeugenden Nd: Glas- oder einem Nd: YAG- oder einem Nd: YA103-Laserstab 4, der von der zu seiner Längsachse parallel angeordneten Blitzlampe 2 angeregt wird. An der - in Blickrichtung - linken Stirnseite des Laserstabes befindet sich der Resonator-Endspiegel 1 und zwischen diesem und dem Laserstab bedarfsweise der passive Güteschalter 3. Letzterer ist unter dem Brewsterwinkel in den Strahlengang eingefügt und ist bei Verwendung von Nd: YAG-Kristallen erforderlich, bei denen keine Polarisation der Strahlung erkennbar ist. An der gegenüberliegenden Stirnseite befindet' sich der Resonator-Auskoppelspiegel 5, über den die Strahlung 18 - in der vorstehend bereits beschriebenen Weise zunächst auf den Isolator 6, 7 und von diesem auf die Methanzelle 13 gelangt. Der Richtungsisolator 6, 7 setzt sich aus dem Dünnfilm-Polarisator 6 und der A/4-Wellenplatte 7 zusammen, wobei der Polarisator im Strah lengang unter dem Brewsterwinkel eingefügt wurde. Auf dem Weg zur Methanzelle 13 durchläuft die Strahlung 18 noch den Ramanspiegel 8, das in Form einer Linse vorgesehene Fokussierelement 9 und das Eintrittsfenster 10. Das Fokussierelement liegt unmittelbar vor dem Fenster und ist so ausgelegt, dass sein Brennpunkt in der Mitte der Methanzelle zu liegen kommt. Es ist aber auch jeder andere Punkt im Raum zwischen den beiden Ramanzellenfenstern 10 und 10' denkbar. In dem Ramanresonator entsteht Brillouin-Streustrahlung, die in Richtung Pumplaser 1 bis 5 zurückläuft und dort optische Elemente beschädigen kann. Dies wird verhindert durch den Richtungsisolator 6, 7. Die mit den Pfeilen 17 gekennzeichnete Streustrahlung kann noch vor Erreichen des Pumplasers 1 bis 5 und seiner Optiken über den Dünnfilm-Polarisator 6 aus dem bisherigen Strahlengang herausgeführt werden. Vor der ursprünglichen Pumpstrahlung 18 wird demnach durch das dem Eintrittsfenster 10 gegenüberliegende Austrittsfenster 10' nurmehr der Anteil 18' aus der Methanzelle 13 ausgekoppelt. Die unmittelbar hinter dem Austrittsfenster vorgesehene Kollimatorlinse 11 ist ähnlich dem Fokussierelement 9 so ausgelegt, dass auch ihre Brennebene mit der Mitte der Methanzelle zusammenfällt. Sollte der Brennpunkt irgendwo im Raum zwischen den beiden Ramanzellenfenstern liegen, müssten die Brennweiten von Kollimatorlinse 11 und Fokussierelement 9 entsprechend gewählt werden. Ihr ist schliesslich noch ein dichroitischer Spiegel oder auch ein entsprechendes Filter 12 optisch nachgeschaltet, die beide eine hohe Reflexion für die Pumpwellenlänge und eine hohe Transmission für die Ramanwellenlänge besitzen. Wie die Pfeile 19 symbolisieren, soll auf diese Weise ein Rest der Pumpenergie zurückgehalten werden, während der noch verbleibende Ramananteil 18' als Nutzstrahlung verfügbar ist. Die Wellenlänge dieser stimulierten Ramanstrahlung ermittelt sich nach der Gleichung EMI5.1 wobei Xp = Pumpwellenlänge 1/Xv = Frequenzverschiebung des Methangases n = + 1, 2 für Stokesverschiebung n = - 1, 2 für Antistokesver schiebung = = umgewandelte Wellenlänge Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen Fokussierelement, Fenster und Kollimatorlinse aus selbständigen Bauteilen. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch denkbar, dass diese Elemente zu einer kompakten Baueinheit zusammengefasst sind. Insgesamt gesehen ergibt sich durch die vorstehend beschriebenen Massnahmen die Möglichkeit, ein Ramanmedium auf vergleichsweise einfache Art bereits in dem für die Augen unschädlichen Wellenlängenbereich anzuregen, in dem später die Emission erfolgt. Dadurch wiederum können die hohen Schutznormen für mit Laserstrahlen arbeitende Entfernungsmesser und Lichtradarsysteme, für die die erfindungsgemässe Vorrichtung in erster Linie gedacht ist, problemlos eingehalten werden.

Claims: Patentansprüche 1. Laservorrichtung mit einer im 1,5 Um-Bereich liegenden Emission und einem Riesenimpulslaser, dessen Resonator ein von einer Pump lichtquelle anregbares Medium besitzt und mit einem weiteren Resonator verbunden ist, der ein durch den Riesenimpulslaser zur Emission von Impulsen anregbares ramanaktives Medium besitzt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Resonator des Riesenimpulslasers (1 bis 5) ein polarisierte Strahlung (18 bzw. 18') erzeugendes Medium (3, 4) enthält, dessen ausgesandte Strahlung (18) über einen optischen Richtungsisolator (6, 7) in das aus stark komprimiertem Gas bestehende ramanaktive Medium (13) des weiteren Resonators (8, 9, 10, 13) gelangt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , dass als Medium (3, 4) zur Erzeugung polari sierter Strahlung (18 bzw. 18') ein Nd: Glas- oder ein Nd: YA103 oder ein Nd: YAG- Laserstab Verwendung findet. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das ramanaktive Medium (13) aus Methangas besteht, das auf einen Druck von grösser als 40 Bar komprimiert ist und in einer Zelle mit einer optischen Weglänge von mind. 10 cm untergebracht ist. 4. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , dass sich der Richtungsisolator (6, 7) in Strahlenverlaufsrichtung aus einem im Brewsterwinkel in den Strahlengang eingesetzten Dünnfilm-Polarisator (6) und einer senkrecht zum Strahlengang ausgerichteten k/4-Wellenplatte (7) zusammensetzt. 5. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , dass der Ramanresonator (8 bis 12) in Richtung Strahlenauskopplung aus einem Ramanspiegel (8), einem Fokussierelement (9), dem mit Ein- und Austrittsfenster (10; 10') versehenen ramanaktiven Medium (13) - einer sog. Methanzelle -, einer Kollimatorlinse (11) und einem dichroiti schen Spiegel oder einem entsprechenden optischen Filter (12) besteht. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h gek e n n z e i c h n e t , dass der Ramanspiegel (8) hohe Transmission für die jeweilige Pumpwellenlänge und hohe Reflexion für die erzeugte Ramanwellenlänge besitzt. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, da du r c h gek e n n z e i c h n e t , dass das Ein- und das Austrittsfenster (10; 10') sowie das Fokussierelement (9) und die Kollimatorlinse (11) Doppellinienvergütung aufweisen und Fokussierelement und Kollimatorlinse unmittelbar vor dem Ein- bzw. nach dem Aus trittsfenster (10; 10') mit je einem in die Mitte der Methan zelle (13) gelegten Brennpunkt angeordnet sind. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, da d u r c h gek e n n z e i c h n e t , dass das optische Filter (12) hohe Reflexion für die Zurückhaltung eines Energie-Restanteils (19) der Pumpwellenlänge und hohe Transmission für die Ramanwellenlänge (18') besitzt. 9. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Fokussierele ment (9), Ein- und Austrittsfenster (10; 10') sowie Kollima torlinse (11) zu einer kompakten Baueinheit zusammengefasst sind.

Inventors: BESS, GUNTER, RUGER, JAMES, DR., Bess, Günter, BRUESSELBACH, HANS W., DEWHIRST, DONALD R., Ruger, James Dr.
Applicants: ELTRO GMBH GESELLSCHAFT FUR STRAHLUNGSTECHNIK
Application year: 1982
Main classification: H01S3
IPC codes: H01S3