DE2018034A1 - Flächengepumpter Laser mit vielfacher Innenreflexion - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf flächengekühlte, flächengepumpte Laseranordnungen und insbesondere auf Miniatur-Laseranordnungen, in denen ein kohärentes Bündel elektromagnetischer Strahlung reflektierend durch einen aktiven Laserkörper mit unterschiedlich beanspruchten Bereichen geleitet wird, um die Verzerrung in der Wellenfront des Strahlenbündels zu vermindern.

Während des Betriebes der Laserkörper bei hohen Impulsfrequenzen wird in dem Laserkörper eine beträchtliche Wärme erzeugt, und zwar infolge des optischen Pumpens des Laserkörpers, um eine Inversion der Besetzung zu erzeugen. Es müssen deshalb im allgemeinen künstliche Mittel verwendet werden, wie z.B. ein an der Oberfläche des Laserkörpers entlang-

strömendes Kühlmittel, um die Wärme von dem Laserkörper abzuführen. Eine Oberflächenkühlung des Laserkörpers und die relativ geringe thermische Leitfähigkeit, die sich bei den meisten festen Lasermaterialien zeigt, erzeugen jedoch einen thermischen Gradienten zwischen der gekühlten Außenfläche und dem relativ heißen Mittelteil des Laserkörpers. Dies hat zur Folge, daß der Mittelteil des Laserkörpers auf Druck beansprucht und die relativ kalte Oberfläche des Laserkörpers auf Dehnung beansprucht wird. Da der Brechungsindex sowohl eine Funktion der Temperatur als auch der Spannung ist, wird die Wellenfront eines kohärenten Lichtbündels, das axial durch den Laserkörper, d.h. in üblichen Stablasern, tritt, verzerrt und der Mittelstrahl, der durch die relativ heiße, verdichtete Stabmitte läuft, wird relativ zu denjenigen Strahlen verzögert, die in der Nähe des kalten Außenraumes des Stabes verlaufen. Eine Verzerrung der Wellenfront setzt aber nicht nur den Wirkungsgrad des Stablaserbetriebes wesentlich herab, sondern führt auch zu der Tendenz, daß ein positiver Drehereffekt (lens effect) erzeugt wird, der den Strahl entlang der Länge des Laserkörpers fokussiert, was zu einer Selbstzerstörung des Laserkörpers führt.

Zur Herabsetzung der Verzerrung des Strahlenbündels in oberflächengekühlten Laserkörpern ist das aktive Laserelement bisher in eine Vielzahl dünner planarer Abschnitte unterteilt worden, um zwecks Abfuhr der Wärme das Hindurchtreten eines flüssigen Kühlmittels zwischen diesen Abschnitten zu gestatten, wie es bereits an anderer Stelle beschrieben ist. Diese in Abschnitte unterteilte Laserelemente sind jedoch aufgrund der erforderlichen Spanne zwischen benachbarten planaren Abschnitten relativ massig bzw. unhandlich und erfordern im allgemeinen ein Kühlmittel mit einem Brechungsindex, der etwa gleich dem Brechungsindex des Laserelementes ist. Ferner wird der Wirkungsgrad der in Abschnitte unterteilten Laserelemente durch Verluste der kohärenten elektromagnetischen Strahlung beim Durchtritt sowohl durch das

009843/1694

flüssige Kühlmittel als auch durch die Grenzflächen zwischen dem kühlmittel und den Laserabschnitten herabgesetzt.

Die Spannungsverteilung, die durch die verschiedenen thermischen Zonen innerhalb eines Laserkörpers bei Leistungen Über 1 Watt (bei dieser Leistung wird die Kühlung des Stabes ein akutes Problem) erzeugt wird, führt auch zu einer Depolarisation durch Spannungsdoppelbrechung in dem polarisierten Licht, das in axialer Richtung'durch den Laserkörper tritt. Somit wird der Betrieb bzw. Einsatz des Laserkörpers als ein Stablaser in Q-Schaltung unter Verwendung von Polarisatoren und Mitteln wie z.B. einer Kerrzelle zur selektiven Drehung des Polarisationsfeldes stark eingeschränkt durch den Depolarisationseffekt des verschieden beanspruchten Laserkörpers.

ES ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leichte, wirksame Laseranordnung für eine hohe Impulsfrequenz zu schaffen.

Ferner beinhaltet die Erfindung einen Laser mit geringer Verzerrung, der für einen Dauerbetrieb bei einer höhen mittleren Ausgangsleistung geeignet ist. Dabei Soll die zu Schaffehde billige Laseranordnung in der Läge sein, Dauerausgangsleistühgen von mehr als 1 Watt zu erzeugen.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine für eine höhe Impulsfrequenz geeignete Lageranordnung zu schaffen, die bei einer Änderung der Polarisationsebene eines kohärenten, durch das aktive Laserelement hindurchtretenden Bündels elektromagnetischer Strahlung umschaltet.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß im größen und ganzen ' durch eine Laseranordnung gelöst, die einen langgestreckten homogenen Körper aus einem aktiven Lasermedium aufweist, der mindestens zwei optisch plane Flächen besitzt, die parallel zur Längsachse des Laserkörpers verlaufen. Mindestens in der

0096431/1694

Nähe von einer der optisch planen Flächen des Laserkörpers sind Mittel zum Pumpen angeordnet, um die Atome in dem Laserkörper zu einem metastabilen Zustand zu erregen. Ferner sind Mittel vorgesehen, um eine Kühlmittelströmung an mindestens einer der optisch planen Flächen entlang zu leiten, so daß die innerhalb des Laserkörpers erzeugte Wärme abführbar ist und auf diese Weise ein thermischer Gradient zwischen den optisch planen Flächen des Laserkörpers erzeugt wird. Über eine zweckmäßige Anordnung wird dann ein Bündel kohärenter elektromagnetischer Strahlung durch den gepumpten Laserkörper geleitet, und zwar in einer nicht-axialen (off axial) Richtung mit einem solchen Einfallswinkel relativ zu den optisch planen Flächen des Laserkörpers, daß durch jede optisch plane Fläche zahlreiche innere Totalreflexionen des Strahles hervorgerufen werden. Somit wird jeder Strahl des Strahlenbündels vielfach von den kalten Außenflächen des Laserkörpers durch die relativ heiße Mitte des Laserkörpers hindurch reflektiert, so daß die von jedem Strahl des Bündels angetroffene optische Umgebung gemittelt wird und dadurch sowohl die Phasenverzerrung als auch die Wirkungen der Spannungsdoppelbrechung in der Wellenfront der Strahlung auf ein Minimum reduziert werden.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäß aufgebauten Laseranordnung, die teilweise aufgeschnitten dargestellt ist.

Figur 2 zeigt einen Schnitt entlang den Linien 2-2 in Figur 1, um den Verlauf eines kohärenten Strahlenbündels einer elektromagnetischen Strahlung innerhalb des Laserkörpers zu zeigen.

009843/1694

Figur 3 ist eine isometrische Darstellung einer Laseranordnung, die besonders für eine Flüssigkeitskühlung des Laserkörpers geeignet ist.

Figur 4 zeigt einen Schnitt entlang den Linien 4-4 in Figur 3,

Figur 5 ist eine isometrische Darstellung einer anderen erfindungsgemäß aufgebauten Laseranordnung.

Figur 6 zeigt einen Schnitt entlang den Linien 6-6 in Figur 5,

Figur 7 zeigt eine weitere, teilweise aufgeschnitten dargestellte Laseranordnung gemäß der Erfindung, in der das Strahlenbündel der elektromagnetischen Strahlung mehrfach durch das aktive Laserelement geleitet wird.

Figur 8 zeigt einen Schnitt entlang den Linien 8-8 in Figur

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Laseranordnung 10 in vereinfachter Form dargestellt. Diese Laseranordnung weist im allgemeinen einen langgestreckten homogenen Körper 12 aus einem aktiven Lasermedium auf, das beispielsweise neodymdotiertes Silikatglas sein kann. Der Körper weist zwei optisch plane Flächen 14A und 14B auf, die parallel zur Längsachse des Laserkörpers verlaufen, um zahlreiche innere Totalreflexionen eines durch die Pfeile 16 dargestellten kohärenten Strahlenbündels einer elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen. Das Strahlenbündel tritt unter einer solchen Lage in nichtaxialer Richtung in den Laserkörper ein, daß es auf eine der optisch planen Flächen des Laserkörpers auftrifft. Im hier verwendeten Zusammenhang bedeutet nicht-axiale Richtung eine einen Winkel bildende oder nicht-parallele Anordnung des Strahlenbündels relativ zur Längsache des Laserkörpers. In . der Nähe des Laserkörpers 12 sind zweckmäßige Mittel, wie z.B. Blitzlampen 18 und Reflektoren 20, angeordnet, um die Flächen 14A und 14B isotropisch zu pumpen, so daß dadurch

009843/1694

eine Besetzungs-Inversion in dem Körper erzeugt wird, die für die stimulierte Emission kohärenter elektromagnetischer Strahlung als Reaktion auf den Durchtritt des Strahlenbündels 16 dienlich ist. Dabei wird die innerhalb des Laserkörpers erzeugte Wärme durch die erzwungene Konvektionskühlung der Flächen 14A und 14B mit einem zweckmäßigen Wärmeaustauschmittel, z.B. eine Flüssigkeit oder ein Gas, abgeführt. Somit wird entlang des Innenraumes des Laserkörpers zwischen den Flächen 14A und 14B ein thermischer Gradient gebildet. Infolgedessen verläuft jeder Strahl des kohärenten Bündels 16, das unter einem solchen Einfallswinkel relativ zu den optisch planen Flächen eingeführt wird, daß die einfallende Strahlung zwischen diesen total reflektiert wird, durch Bereiche des Laserkörpers mit verschiedenen Wärmegehalten und somit verschiedenen Brechungsindizes. Eine Verzerrung der Wellenfront des Strahlenbündels wird jedoch durch die Mischung der optischen Umgebungen, durch die jeder Strahl hindurchtritt, kompensiert und die resultierende Phasenverzerrung der von dem Laserkörper 12 emittierten Welle ist wesentlich vermindert im Verhältnis zur Verzerrung, die innerhalb eines axial hindurchgeschickten kohärenten Bündels einer elektromagnetischen Strahlung erzeugt wird.

Der Laserkörper 12 kann aus irgendeinem nicht-gasförmigen aktiven Lasermedium bestehen, dessen thermische Leitfähigkeit die Wärmeabfuhr aus dem Innenteil des Laserkörpers in ausreichender Weise erschwert, um bei gewünschten Betriebsbedingungen einen wesentlichen Wärmegradienten von beispielsweise mehr als 4O°G zwischen den durch Konvektion gekühlten Flächen und der axialen Mitte des Laserkörpers zu bilden. Zweckmäßigerweise kann der Laserkörper 12 aus einem neodymdotierten Silikatglas mit rechtwinkligem Querschnitt sein und kann von Owens-Illinois of Toledo, Ohio, erhalten werden.

Der Laserkörper 12 ist geometrisch gekennzeichnet durch zwei im wesentlichen parallel verlaufende Flächen 14A und 14B, die

009843/1694

zu einer optischen Planheit poliert sind, beispielsweise plan bis zu 1/8 der Wellenlänge der von dem Laserkörper 12 emittierten kohärenten Strahlung, um die Verluste und die Verzerrung während der Reflexion des Strahlenbündels 5 6 möglichst klein zu machen. Die übrigen Seitenflächen 22A und 22B des Laserkörpers brauchen nur bis zur optischen Klarheit poliert zu werden, um eine innere Totalreflexion der auftreffenden Pumpstrahlung zu erzeugen, wenn der Laserkörper gasgekühlt ist. Demgegenüber ist es wünschenswert, daß die Flächen 24A und 24B des Laserkörpers 12 bis zur optischen Planheit poliert sind, beispielsweise innerhalb 0,1 Mikron für neodymdotiertes Silikatglas, um die Verzerrung des hindurchtretenden Strahlenbündels möglichst klein zu machen. Vorzugsweise sind die Stirnflächen, die für einen maximalen Wirkungsgrad mit einem üblichen Antireflexionsüberzug überzogen sind, in einem Winkel 45° zur Längsache abgeschnitten, damit das Strahlenbündel 16 unter einem rechten Winkel auf diese Stirnflächen auftrifft, wobei der Strahl 16 in einem Winkel von 45° relativ zur optisch planen Fläche 14A angeordnet ist.

Die für das optische Pumpen des Laserkörpers 12 verwendeten Lampen 18 können irgendwelche Blitzlampen sein, die eine optische Strahlung mit einer für das Lasermedium geeigneten Wellenlänge aussenden. Beispielsweise sorgen Xenon-Blitzlampen für eine Pumpwellenlänge zwischen 5000 und 9000 8, die für neodymdotiertes Glas geeignet ist. Um ein isometrisches Pumpen der optisch planen Flächen 14A und 14B zu gewährleisten, verlaufen die Strahlung aussendenden Abschnitte der Lampen 18 über die gesamte Länge der in der Nähe der Lampe gelegenen Laserkörperoberfläche, während Reflektoren 20 hoher Intensität, die beispielsweise aus versilbertem, wassergekühltem Kupfer bestehen können, den Strahlung-emittierenden Abschnitt der Lampen 18 einhüllen, um die Intensität der Pumpstrahlung möglichst groß zu machen, die zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in den Laserkörper eintritt. Diese Reflektoren 20 liegen wünschenswerterweise an den Kanten des

0 0984 3/16 94

Laserkörpers an und bilden Kanäle 25A und 25B für den Durchlaß eines Strömungsmittel, das z.B. ein komprimiertes Gas wie Luft, sein kann, um den Laserkörper 12 nur über die optisch planen Flächen 14A bzw. 14B durch Konvektion zu kühlen.

Während des Betriebes der erfindungsgemäßen Laseranordnung 10 trifft ein kohärentes Strahlenbündel 16 elektromagnetischer Strahlung, die beispielsweise aus dem Eingang eines Laserverstärkers, wie dem in Figur 1 gezeigten Laser verstärker stammen kann, isotropisch unter einem rechten Winkel auf die Stirnfläche 24A auf. Das Strahlenbündel tritt dann in den Laserkörper 12 ein und trifft auf die optisch plane Fläche 14A unter einem Einfallswinkel Θ, der zu einer inneren Totalreflexion des auftreffenden Strahlenbündels führt, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Bekanntlich hängt der minimale Einfallswinkel, der eine innere Totalreflexion des Bündels 16 an der Fläche 14A erzeugt, allein von den Brechungsindizes der auf beiden Seiten der Fläche befindlichen Medien ab. Dieser Winkel kann nach der Formel

"kritisch = arc sin ^

berechnet werden. Darin ist η der Brechungsindex des den Laserkörper 12 bildenden Mediums und n¹ ist der Brechungsindex des über die Fläche 14A strömenden Kühlmittels. Für einen luftgekühlten Laserkörper aus Glas ist bezeichnenderweise ein Einfallswinkel von mehr als etwa 42° erforderlich, wobei ein Einfallswinkel von 45° bevorzugt wird, um die Verwendbarkeit des Laserkörpers möglichst groß zu machen. Dadurch wird auch für eine zweckmäßige Betriebstoleranz gesorgt. Wenn somit das kohärente Strahlenbündel 16 unter einem rechten Winkel auf die Stirnfläche 24A fällt, werden die Strahlen 16A des Bündels, die zunächst auf die Verbindung der Flächen 14A und 24A treffen, unter einem Winkel von 45° reflektiert, um einen Weg zu durchlaufen, der zu dem traversalen Verlauf der Strahlen 16B entlang dem entgegengesetzten Rand

009843/ 1

des Bündels identisch ist, der zunächst auf die Verbindung der Flächen 24A und 14B auftrifft. Der geometrische Bereich des Bündels 16 und der Winkel, unter dem das Bündel auf die Fläche 24A auftrifft, gewährleistet deshalb, daß das Bündel das gesamte Volumen des Laserkörpers in einem einzigen Durchgang durchläuft, so daß dadurch der Wirkungsgrad der Laseranordnung möglichst groß gemacht wird.

Das Strahlenbündel 16 elektromagnetischer Strahlung läuft oszillierend durch den gesamten Laserkörper 12 und wird zwischen den optisch planen Flächen 14A und 14B vielfach reflektiert, bevor es aus der Stirnfläche 24B in verstärkter Form austritt. Da jeder Strahl des kohärenten Bündels die Bereiche nahe den Flächen 14A und 14B des Laserkörpers, wo das Kühlmittel den Laserkörper unter Spannung hält, und desgleichen den relativ wärmeren, komprimierten Mittelbereich des Laserkörpers durchläuft, gehen alle in der Ebene gemäß Figur 2 liegenden Strahlen im wesentlichen durch identisch gemischte optische Umgebungen und die Wellenfront des Strahlenbündels wird einheitlich beeinflußt, so daß eine Kompensation erster Ordnung der Verzerrung der Wellenfront erzielt wird. Wenn beispielsweise ein Laserkörper aus neodymdotiertem Silikatglas mit einem rechtwinkligen Querschnitt von 15 x 6 mm und einer Länge von 150 mm verwendet wird, der zwei parallele, axial verlaufende optisch plane Flächen aufweist, die für einen Betrieb bei Impulsfrequenzen bis zu 3O Hz bei einer mittleren Ausgangsleistung von mehr als 10 Watt in der normalen Impulsart mit Xenon-Lampen gepumpt waren, zeigt ein kohärentes Strahlenbündel elektromagnetischer Strahlung, das unter einem Winkel von 45 relativ zu den optisch planen, luftgekühlten Flächen auftrifft, eine resultierende Verzerrung, die um einen Faktor größer als 3 verkleinert ist,- relativ zu der in einem Strahlenbündel erzeugten Verzerrung, dessen Strahlen unter identischen Kühl- und Pumpbedingungen in axialer Richtung durch den Laserkörper geschickt werden.

009843/1694

Da die Strahlen des kohärenten Bündels 16 nicht merklich von den Ebenen abweichen, die parallel zu den optisch klaren Flächen 22A und 22B liegen, wird wünschenswerterweise entlang den optisch klaren Flächen keine Wärme abgeführt, um die Bildung eines Wärmegrad ie η te η in dem Laserkörper entlang einer zu den Flächen 14A und 14B parallelen Ebene zu vermeiden. Auf diese Weise wird in der Wellenfront des hindurchtretenden kohärenten Bündels eine Verzerrung in einer Richtung erzeugt. Die optisch klaren Flächen des Laserkörpers haben jedoch die Neigung, sich infolge der Spannungen innerhalb des Laserkörpers ein wenig zu verzerren, indem sie bei-" spielsweise leicht gekrümmt werden, so daß der kompensierende

Effekt des nicht-axialen Verlaufes des Strahlenbündels durch den Laserkörper hindurch verkleinert wird. Indem aber ein Abstand zwischen den Rändern des Bündels 16 und den optisch klaren Flächen von etwa 1 bis 20 % der Spanne zwischen den optisch klaren Flächen eingehalten wird, wird die durch die Flächen 22A und 22B erzeugte Verzerrung herabgesetzt, so daß der kompensierende Effekt des nicht-axialen Verlaufs weiter erhöht wird.

Wenn auf Wunsch ein flüssiges Kühlmittel verwendet wird, um die Wärme von den optisch planen Flächen des Laserkörpers abzuführen, wird auf entgegengesetzten Enden des Laserkörpers vorzugsweise ein Prismenpaar angeordnet, das beispielsweise aus klarem Glas bestehen kann, um das kohärente Strahlenbündel elektromagnetischer Strahlung unter einem Einfallswinkel von mehr als 45° auf die optisch planen Flächen des Laserkörpers zu lenken. Eine derartige flUssigkeitsgekühlte Anordnung ist in Figur 3 gezeigt. Hier ist der Laserkörper ein aktives Lasermedium, das im wesentlichen mit dem Laserkörper 12 in Figur 1 identisch ist. Beispielsweise ist der langgestreckte Laserkörper mit rechtwinkligem Querschnitt aus einem Material wie neodymdotiertes Silikatglas hergestellt und durch zwei optisch plane, künstlich gekühlte Seitenflächen 3OA und 3OB für die zwischen diesen erfolgende innere

009843/1694

Totalreflexion des kohärenten Bündels 32 elektromagnetischer Strahlung gekennzeichnet, die durch Glasprismen 26A und 26B in den Laserkörper eingeführt wird. Da das kohärente Bündel durch die Prismen 26A und 26B in den Laserkörper 28 eingeführt werden, brauchen die Stirnflächen 34A und 34B keine exakte Geometrie zu haben oder sie brauchen nicht poliert sein, obwohl die in Figur 3 gezeigten Stirnflächen so dargestellt sind, daß sie senkrecht zur Achse des Laserkörpers angeordnet sind. Die Pumpenergie für den Laserkörper 28 wird von einer oder mehreren Blitzlampen 36 wie z.B. Xenon-Lampen zugeführt, die gegenüber der Fläche 3OA angeordnet sind, damit eine elektromagnetische Strahlung auf diese Fläche auftrifft. Sowohl die Lampen 36 als auch der Stab 28 sind von einem einzigen Reflektor 38 umgeben, um die durch den Laserkörper absorbierte Pumpenergie möglichst groß zu machen. Auf Wunsch kann dem Laserkörper 28 durch zusätzliche, gegenüber der Fläche 3OB angeordnete Blitzlampen (nicht gezeigt) eine zusätzliche Pumpenergie zugeführt werden. Da der Reflektor 38 auch über den Seitenflächen 4OA und 4OB des Laserkörpers 28 angeordnet ist, kann die für diese Flächen erforderliche Glattheit geringer sein im Verhältnis zu den entsprechenden Flächen des in Figur 1 gezeigten Laserkörpers, da der Reflektor 38 zur Rückleitung der emittierten Pumpstrahlung auf den Laserkörper dient. Vorteilhafterweise ist die Innenfläche des Reflektors 38 mit Abstand zu den optisch planen Flächen 3OA und 30B angeordnet, um als Leitung für den ■ Durchlaß eines flüssigen Kühlmittels zu dienen, während axial verlaufende Eckstützen 39 die Aufgabe haben, das flüssige Kühlmittel von den Flächen 40A und 4OB fernzuhalten. Auf diese Weise ist die Bildung eines Wärmegradienten innerhalb des Laserkörpers entlang zu diesen Flächen senkrecht verlaufenden Ebene verhindert.

Da das über die optisch planen Flächen 3OA und 3OB strömende flüssige Kühlmittel den kritischen Winkel Θ erhöht, der die innere Totalreflexion des kohärenten Bündels 32 relativ zu

009843/1694

gasförmigen gekühlten Oberflächen erzeugt, - beispielsweise ist für eine wassergekühlte Oberfläche ein kritischer Winkel von etwa 60° erforderlich - wird der Strahl 32 wünschenswerterweise durch zwei Prismen 26A und 26B in den Laserkörper hinein und aus diesem herausgeführt, die für eine größtmögliche Verwendbarkeit des Laserkörpers durch ein optisch kontaktierendes Klebmittel, wie z.B. Glyzerin, fest an diesem angebracht sind. Die Prismen 26A und 26B weisen Flächen 42A und 42B auf, die im Winkel zum Bündel 32 angeordnet sind, um dieses unter einem Einfallswinkel auf die optisch plane Fläche 3OA zu reflektieren, der eine innere Totalreflexion des Bündels an der optisch planen Fläche erzeugt. Die Länge der Prismenflächen sind bezüglich der Spanne zwischen den optisch planen Flächen des Laserkörpers 28 so gewählt, daß das gesamte Volumen des Laserkörpers (außer den dreieckförmigen Endbereίο hen 43A und 43B) in einem einzigen Durchgang des Bündels 32 durch den Laserkörper hindurch vollständig bestrahlt wird.

Für den Betrieb des Laserkörpers 28 in einer dargestellten Q-Schaltung sind innerhalb des optischen Pfades des Bündels ein Polarisator 44 und eine intermittierend erregte Kerr-Zelle 46 angeordnet, um die Reflexion des kohärenten Bündels zwischen einem halbdurchlässigen Spiegel 48 und einem Spiegel zu steuern, die auf entgegengesetzten Enden des Laserkörpers angeordnet sind. Dann wird die Blitzlampe 36 eingeschaltet, um den Laserkörper 28 auf einen metastabilen Zustand zu pumpen, der zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung geeignet ist. Die Strahlen der kohärenten elektromagnetischen Strahlung, die in einem Auftreffwinkel von 60 relativ zu den optisch planen Flächen 3OA und 30B angeordnet sind (für wassergekühltes, neodymdotiertes Silikatglas), treten aus dem Laserkörper unter einem solchen Winkel aus, daß sie durch die Prismenflächen 42A und 42B senkrecht auf die Flächen der Spiegel 48 und 50 gelenkt werden. Mehrfache Reflexionen zwischen den Spiegeln sind jedoch durch den Polarisator 44, der Strahlen einer einzigen Polarisation durchläßt,

009843/16

und durch die erregte Kerr-Zelle 46 verhindert, die das Polarisationsfeld der polarisierten Strahlen bei einem doppelten Durchgang durch die Kerr-Zelle um 90 dreht. Nachdem der Laserkörper 28 für einen ausreichenden Zeitraum gepumpt worden ist, beispielsweise für eine halbe Millisekunde, wird die Kerr-Zelle in etwa 0,01 MikroSekunden ausgeschaltet, um den Rücklauf der von dem Spiegel 50 reflektierten Strahlen durch den Laserkörper 28 hindurch zu gestatten, der die Emission kohärenter elektromagnetischer Strahlung aus dem Laserkörper als ein Impuls mit vergrößertem Betrag an-—regt. Da das in nicht-axialer Richtung durch den Laserkörper 28 laufende kohärente Bündel 32 zahlreiche unterschiedliche Wärmebedingungen antrifft, wird die Depolarisation des Bündels durch Spannungsdoppelbrechung bedeutend herabgesetzt und die Ausgangsleistung der Laseranordnung wird möglichst groß gemacht.

Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der nicht-axialen Laseranordnung kann dadurch erreicht werden, daß eine Laseranordnung 52 gemäß Figur 5 verwendet wird. Hier wird das.kohärente Bündel elektromagnetischer Strahlung durch verschiedene Abschnitte des Laserkörpers umgelenkt, um eine Kompensation zweiter Ordnung in der Verzerrung der Wellenfront zu erzeugen, indem der Randeffekt des Laserkörpers auf das Bündel vermindert wird. Der Laserkörper 54 besitzt zwei optisch plane Seitenflächen 56A und 56B, die mindestens auf 1/8 der Wellenlänge poliert sind, um ein kohärentes Bündel 58 einer im Winkel auftreffenden elektromagnetischen Strahlung total zu reflektieren. Die Glattheit der Seitenflächen 6OA und 6OB sowie der Stirnflächen 62A und 62B ist nicht kritisch. Diese Flächen können auf Wunsch rohabgeschliffen sein. Zwei Prismen 64A und 64B sind mit einem optisch kontaktierenden Klebmittel, wie z.B. Glyzerin, an dem Laserkörper fest angebracht. Diese Prismen lenken ein kohärentes Bündel 58 von einer zur Sf;itenflache 56A parallel laufenden Ebene in eine solche Ebene, die in einem größeren als dem kritischen Einfallswinkel

008343/1B94

relativ zur Fläche 56A verläuft. Die Stirnfläche 66 des Prismas 64B ist im Winkel geschnitten, um ein hindurchtretendes Strahlenbündel zu brechen. Ein Reflektor, wie z.B. ein Porro-Prisma 68, das um eine Achse 67 drehbar ist, um für einen Betrieb des Laserkörpers in Q-Schaltung geeignet zu sein, ist bezüglich der brechenden Oberflächen der Stirnfläche 66 derart angeordnet, daß eine kohärente Strahlung intermittierend zwischen die Oberflächen der Stirnfläche geleitet wird. Dabei wird jeder Strahl des Bündels 58 um eine gleiche Spanne verschoben, so daß ein durch die axiale Mitte 69 des Laserkörpers 54 verlaufender Strahl durch das Prisma 68 in der Weise reflektiert wird, daß er entlang der Seitenfläche 6OA zurückläuft. Auf Wunsch können die total reflektierenden Flächen 56A und 56B des Laserkörpers 54 dadurch gekühlt werden, daß eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser oder ein flüssiger Fluorkohlenstoff, durch die Leitung geschickt wird, die durch den über den gekühlten Flächen liegenden Reflektor gebildet wird. Die nebeneinander angeordneten, total reflektierenden und halbdurclilässigen Spiegel 71 bzw. 73 haben die Wirkung, daß die kohärente elektromagnetische Strahlung reflektierend durch den Laserkörper geleitet wird.

Bei einem Betrieb in Q-Schaltung wird,ein kohärentes Bündel elektromagnetischer Strahlung 58 an dem total reflektierenden Spiegel 71 reflektiert und durch das Prisma 64A gebrochen, um unter einem solchen Winkel in die eine Hälfte des Laserkörpers 54 mit rechtwinkligem Querschnitt einzutreten, daß zwischen den.optisch planen Flächen 56A und 56B des Laserkörpers zahlreiche innere Totalreflexionen auftreten. Auf diese Weise wird eine Verzerrung des Bündels vermieden, indem ein Mittelwert der optischen Bedingungen gebildet wird, die die Strahlen in einer gemeinsamen, relativ zu den Flächen 56A und 56B senkrecht angeordneten Ebene antreffen. Diejenigen Strahlen des vielfach reflektierten Bündels, die in Ebenen nahe der axialen Mitte 69 des Laserkörpers liegen, treffen jedoch eine optische Umgebung an, die gegenüber der optischen

009843/1694

Umgebung, welche die nahe der Fläche 6OB durch den Laserkörper 54 laufenden Strahlen antreffen, unterschiedlich ist; denn die Fläche 6OB wird während des Laserbetriebes leicht gekrümmt, so daß dadurch eine gewisse Spannung genommen und die Spannungsverteilung in benachbarten Bereichen des Laserkörpers verändert wird. Nach einem einzigen Durchgang des Bündels durch den Laserkörper wird das teilweise verzerrte Bündel in das Prisma 64B geleitet, in dem das Bündel zunächst an einer Fläche 74 in eine horizontale Ebene gelenkt wird, bevor es an der Fläche 76 auf das rotierende Prisma 68 geworfen wird. Bei einer Drehung des Prismas 68 in eine richtige Lage bezüglich des auftreffenden Bündels wird dieses durch das rotierende Prisma auf die Oberfläche 78 des Prismas 64B reflektiert, wo das auftreffende Bündel in einem solchen Winkel gebrochen wird, daß es durch den noch nicht durchquerten Teil des Laserkörpers unter zahlreichen Reflexionen zwischen den Flächen 56A und 56B hindurchtritt. Auf Wunsch wird jeder Strahl des Bündels durch das sich drehende Prisma 68 um eine gleiche Spanne entlang des Laserkörpers verschoben, so daß diejenigen Strahlen, die zunächst in der Nähe der Fläche 6OB durch den Laserkörper treten, entlang der in der Mittelachse 69 liegenden Ebene zurückgeleitet werden, während die Strahlen, die zunächst in der in die Mittelachse 69 fallende Ebene durch den Laserkörper laufen, nahe der leicht gekrümmten Fläche 6OA reflektiert werden. Somit erfährt ein Strahl, der beim ersten Durchgang in der Nähe oder in der Ebene der Mittelachse 69 des Laserkörpers verzögert wird, infolge des relativ komprimierten Zustandes des Laserkörperinnenraums eine Phasenverschiebung bei der Rückkehr in der Ebene nahe der Fläche 6OA, wodurch die zunächst erfolgende Verzerrung der Wellenfront im wesentlichen kompensiert wird. Im allgemeinen sind Laserkörper mit einer Bündelumkehr, um die Spannungsaufhebung an den Rändern des Laserkörpers (wie in Figur 5 dargestellt) zu kompensieren, gekennzeichnet durch eine Verzerrung der Wellenfront, die größenordnungsmäßig

009843/1694

unter derjenigen liegt, die durch das nicht-umgelenkte Strahlenbündel gemäß Figur 3 erzeugt wird.

Die Aufhebung der Randverzerrung des Bündels kann auch durch Verwendung einer Laseranordnung 84 erzielt werden, die in den Figuren 7 und 8 dargestellt ist. Hier wird das Bündel elektromagnetischer Strahlung vielfach in nicht-axialer Richtung durch zahlreiche dreieckförmige reflektierende Prismen 85A und 85B nur durch den Innenteil des Laserkörpers geschickt. Diese Prismen 85A und 85B sind entlang den äußersten Rändern der brechenden Prismen 86A und 86B angebracht. Das Bündel·

Ψ elektromagnetischer Strahlung, das durch den Mittelstrahl SO

bezeichnet ist, tritt am Prisma 86A unter einem solchen Winkel in den Laserkörper 87 ein, daß bei einem ersten Durchgang durch einen Teilbereich 88 des Laserkörpers zahlreiche innere Totalreflexionen des Bündels zwischen den optisch planen Flächen 93 erzeugt werden. Daraufhin wird das Bündel an dem Prisma 86B am anderen Ende des Laserkörpers gebrochen, um auf eine reflektierende Fläche 94 eines dreieckförmigen Prismas 85B aufzutreffen, so daß es entlang eines Pfades 89 zurückgeleitet wird, der an dem ursprünglich durchquerten Pfad 88 angrenzt. Das Bündel wird dann in identischer Weise zwischen den dreieckförmigen Prismen 85A und 85B reflektiert,

k so daß das gesamte Volumen des Laserkörpers, das zwischen den

am weitesten entfernten Prismen 85B liegt, durchlaufen wird. Wenn es erwünscht ist, kann das Bündel auch entlang Pfaden in den Laserkörper hinein- und herausgeführt, die einen gewissen Abstand zu den ungekühlten Seitenflächen 91A und 91B des Laserkörpers aufweisen, um die Verzerrung des Bündels an den Flächen zu begrenzen. Dagegen wird die Verzerrung des Bündels, die infolge des Wärmegradienten zwischen den gekühlten, optisch planen Flächen 93 auftritt, durch die bei jedem Durchgang des Bündels zwischen den Flächen des Laserkörpers gebildeten Reflexionen kompensiert. Vorzugsweise ist das Bündel 80 schmal im Verhältnis zur Breite des Laserkörpers. Die Bündelbreite beträgt im allgemeinen weniger als 1/5 der Breite des

009843/1694

Laserkörpers, um die Verwendung eines im wesentlichen quadratischen Bündels zu gestatten, wobei noch eine beträchtliche Brechung des Laserkörpervolumens ausgenutzt wird.

Wenn die Laserkörperanordnung 84 als Verstärker betrieben wird, werden Blitzlampen 92 eingeschaltet, um die durch ein Strömungsmittel gekühlten Seitenflächen 93 des Laserkörpers zu pumpen, und das Bündel 80 wird in einem solchen Bereich in den Laserkörper eingeführt, daß es isotropisch auf die reflektierende Fläche 94 des Prismas 85B auf trifft. Da der Rand des Prismas 85B einen gewissen Innenabstand zur Fläche 91A aufweist, bildet auch der Abschnitt 88 des Laserkörpers, der zunächst durchquert wird, damit der Strahl auf die reflektierende Fläche 94 auftrifft, einen Abstand zur Fläche 91A und die infolge der Spannungsabnahme an der Seitenfläche 91A hervorgerufene Verzerrung des Bündels ist herabgesetzt. Das Bündel wird während jedes Durchganges durch den Laserkörper an den optisch planen Flächen 93 vielfach reflektiert und nach einer großen Anzahl von Durchgängen durch den Laserkörper tritt das Bündel in verstärkter Form entlang eines Pfades aus dem Laserkörper aus, der bezüglich der Fläche 91B innen gelegen ist, um die Bündel verzerrung am Randbereich zu vermindern.

Es sei darauf hingewiesen, daß herkömmliche Stablaser im allgemeinen durch reflektierende Oberflächen, wie z.B. verspiegelte Stirnflächen, gekennzeichnet sind, die in senkrechter Lage entlang der Längsachse des Laserkörpers angeordnet sind. Demgegenüber sind die reflektierenden Oberflächen der hier beschriebenen Laseranordnung entweder im Winkel zur Längsachse des Laserkörpers angeordnet, oder sie stehen an einer Stelle außerhalb des Längsebene des Laserkörpers senkrecht auf dessen Längsachse.

Es sind zwar nur bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden, selbstverständlich sind jedoch viele Modifikationen und

009843/1894

und Veränderungen möglich. Beispielsweise kann das rotierende Prisma gemäß Figur 5 durch einen Drehspiegel ersetzt werden, um das auftreffende Bündel auf den noch nicht durchquerten Teil des Stabes zu lenken, oder es könnte auch anstelle der Spiegel 71 und 73 ein trapezförmiges Prisma verwendet werden, um den selektiven Durchgang der kohärenten elektromagnetischen Strahlung zu gestatten.

09843/1694

Claims (10)

1. Ansprüche

   (( 1.)Laseranordnung mit einem langgestreckten homogenen Körper aus einem aktiven Lasermedium, der mindestens zwei optisch plane Flächen aufweist, die parallel zur Längsachse des Laserkörpers verlaufen, ferner mit Pumpmittel zur Beaufschlagung wenigstens einer der optisch planen Flächen mit einer elektromagnetischen Strahlung, so daß die Atome des Laserkörpers zu einem meta-stabilen Zustand erregbar sind und eine Besetzungs inversion erzeugbar ist, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (20; 38; 70), durch die eine Kühlmittelströmung über mindestens eine der optisch planen Flächen (14A 14B; 3OA, 3OB; 56A, 56B; 93) leitbar und die in dem Laserkörper (12; 28; 54, 87) erzeugte Wärme abführbar ist, wobei durch die Kühlmittelströmung zwischen den optisch planen Flächen verschiedene Wärmezonen, in dem Laserkörper erzeugbar sind, und eine Einrichtung zur Leitung einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung durch den Laserkörper in nicht-axialer Richtung und mit einem ausreichenden Einfallswinkel relativ zu den optisch planen Flächen, daß an jeder der optisch planen Flächen zahlreiche innere Totalreflexionen erzeugbar und die einzelnen Strahlen (16; 32; 58) der elektromagnetischen Strahlung durch jede der verschiedenen Wärmezonen in dem Laserkörper leitbar sind.
2. 2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die nicht-axiale elektromagnetische Strahlung auf einem derartigen Bereich relativ zum Einfallswinkel auf die optisch planen Flächen (14A, 14B) eingeführt ist, daß das ganze Volumen des Laserkörpers (12; 28) in einem einzigen Durchgang durch den Laserkörper bestrahlt ist.

   009843/1694
3. 3. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Leitung der kohärenten elektromagnetischen Strahlung durch den Laserkörper Reflektoren (48, 50), die auf entgegengesetzten Seiten des Laserkörpers (28) angeordnet sind, und ferner Mittel zur intermittierenden Unterbrechung des Durchganges der kohärenten elektromagnetischen Strahlung zwischen den Reflektoren umfaßt.
4. 4. Laseranordnung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur intermittie-

   P renden Unterbrechung des Durchganges der kohärenten elektromagnetischen Strahlung zwischen den Reflektoren (48, 50) einen in dem optischen Pfad der elektromagnetischen Strah-"lung angeordneten Polarisator (44) zur Polarisation der Strahlung und eine Kerr-Zelle (46) zur intermittierenden Drehung des Polarisationsfeldes der elektromagnetischen Strahlung umfassen.
5. 5. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser ist und die kohärente elektromagnetische Strahlung über ein Prismenpaar (26A, 26B; 86A, 86B) in den Laserkörper (28; 93)

   . eingeführt ist, die auf entgegengesetzten Enden des Laserkörpers mit einem optisch kontaktierenden Klebemittel angebracht sind, wobei der Prismenrand bezüglich der optisch planen Flächen des Laserkörpers derart angeordnet ist, daß Lic!

   trifft.

   daß Licht unter einem Einfallswinkel von mehr als 45° auf-
6. 6. Laseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung durch einen vollständig auf einer Seite der Mittelachse (69) befindlichen Bereich des Laserkörpers (54) geleitet und am Ende des Laserkörpers ein Reflektor (68) angeordnet ist, so daß die kohärente elektromagnetische Strahlung in nicht-axialer

   009843/1694

   Richtung unter einem derartigen Winkel bezüglich der optisch planen Flächen (56A, 56B) durch den Laserkörper hindurch zurückleitbar ist, daß durch jede der optisch planen Flächen (56A, 56B) zahlreiche innere Totalreflexionen der kohärenten elektromagnetischen Strahlung erzeugbar sind, wobei jeder auftreffende Strahl der kohärenten elektromagnetischen Strahlung durch den Reflektor (68) in der Längsrichtung um eine gleiche Spanne verschiebbar ist.
7. 7. Laseranordnung nach Anspruch 6, dadurch g e kennze ichne t , daß der Reflektor (68) ein rotierendes Prisma ist.
8. 8. Laseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärente elektromagnetische Strahlung in nicht-axialer Richtung unter einem derartigen Winkel bezüglich der optisch planen Flächen (93) durch einen vorbestimmten Teilbereich (88) des gepumpten Laserkörpers (87) geleitet ist, daß durch jede der optisch planen Flächen (93) zahlreiche innere Totalreflexionen der kohärenten elektromagnetischen Strahlung erzeugbar sind, und Reflektoren (85A, 85B) entlang den Enden des Laserkörpers angeordnet ist, so daß das Strahlenbündel (80) vielfach durch benachbarte Teilbereiche (89, 95) des Laserkörpers leitbar ist.
9. 9. Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (85A, 85B) mit Abstand zu den nicht-reflektierenden Seitenflächen (91 A, 91B) des Laserkörpers (87) angeordnet sind.
10. 10. Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren mehrere dreieckförmige Prismen (85A, 85B) umfassen, die auf entgegengesetzten Seiten des Laserkörpers (87) angeordnet sind.

    0098/^1694