DE19711774C2

DE19711774C2 - Device for amplifying the laser pulses of a pulse laser

Info

Publication number: DE19711774C2
Application number: DE1997111774
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr Rer Nat Seidel; Horst Prof Dr Ing Weber
Original assignee: LASER- und MEDIZIN-TECHNOLOGIE GGMBH BERLIN 12207 BERLIN DE; Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: SEIDEL, STEFAN, DR., 10777 BERLIN, DE
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: DE19711774A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung der Laserimpulse eines Impulslasers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for amplification the laser pulses of a pulse laser according to the preamble of claim 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US 4 998 259 bekannt.Such a device is out U.S. 4,998,259.

Mit Hilfe von Phasenkonjugation lassen sich Phasenstörun gen in Laser-Verstärkern kompensieren. Dies wird typi scherweise in sogenannten Oszillator-Verstärker-Anord nungen erreicht. Dabei wird der Laserstrahl eines Oszil lators hoher Strahlqualität durch einen Verstärker ge schickt. Bedingt durch verschiedene Phasenstörungen (insbesondere die thermische Linse bei Festkörperlaser- Verstärkern) kommt es dabei zu einer signifikanten Ver schlechterung der Strahlqualität. Reflektiert man den Strahl nach einem Durchgang durch den Verstärker jedoch an einem phasenkonjugierenden Element, so werden die Wel lenfronten des einfallenden elektromagnetischen Feldes umgekehrt, so daß nach einem zweiten Durchgang durch den Verstärker die ursprünglichen Phasenflächen wiederherge stellt werden. Der durch zwei Verstärkerdurchgänge ver stärkte Strahl wird in der Regel mit Hilfe einer Polari sationsdrehung aus dem System ausgekoppelt.With the help of phase conjugation, phase disturbances can be compensation in laser amplifiers. This becomes typi usually in a so-called oscillator-amplifier arrangement achieved. The laser beam from an Oszil high beam quality through an amplifier sends. Due to various phase disorders (especially the thermal lens in solid-state lasers Amplifiers) there is a significant ver deterioration in beam quality. If you reflect that Beam after passing through the amplifier, however on a phase conjugate element, so the Wel Lenfronts of the incident electromagnetic field vice versa, so that after a second pass through the Amplifier to restore the original phase surfaces be put. The ver by two amplifier passes strengthened beam is usually with the help of a polar rotation from the system.

Mit phasenkonjugierenden Doppel-Paß-Verstärkern, beste hend aus zwei seriell angeordneten, blitzlampengepumpten Nd: YAG-Verstärkerstäben werden zur Zeit mittlere Leistun gen von bis zu 200 Watt erzielt. Dabei wird das phasen konjugierende Element auf der Grundlage stimulierter Brillouin-Streuung (SBS) realisiert, vgl. den Aufsatz von H. J. Eichler u. a. in Proceedings of SPIE, Vol. 2889, S. 8-19. With phase-conjugating double-pass amplifiers, best consisting of two serially arranged, flashlamp pumped Nd: YAG amplifier bars are currently becoming medium powers achieved up to 200 watts. This will phase conjugated element based on stimulated Brillouin scattering (SBS) implemented, cf. the essay by H. J. Eichler u. a. in Proceedings of SPIE, vol. 2889, Pp. 8-19.

Durch die thermisch bedingte Bruchgrenze der Verstärker stäbe von 10-15 kW mittlerer elektrischer Pumpleistung, sowie durch den begrenzten Wirkungsgrad im gütegeschalte ten Grundmodebetrieb auf etwa 1%, beträgt die mit zwei Verstärkerstäben maximal erreichbare Ausgangsleistung et wa 200-300 Watt. Ferner kann es bei hohen mittleren Lei stungen zu thermischen Problemen im SBS-Medium und daraus resultierenden Alterungsprozessen kommen.Due to the thermal break limit of the amplifier rods of 10-15 kW average electrical pump power, as well as the limited efficiency in the quality switch basic mode to about 1%, that with two Amplifier rods maximum achievable output power et wa 200-300 watts. It can also occur at high medium lei for thermal problems in and from the SBS medium resulting aging processes come.

Aus der US 4 757 268 sowie der US 4 998 259 ist es be kannt, zur Lösung dieser Probleme die Primärstrahlung ei nes Laseroszillators mittels eines Strahlteilers impuls weise aufzuspalten und einer Mehrzahl separater Verstär ker zuzuführen, so daß die durch den einzelnen Verstärker zu realisierende mittlere Leistung begrenzt und dennoch eine hohe Gesamt-Ausgangsleistung der Anordnung erzielt werden kann. Die in den einzelnen phasenkonjugierenden Doppeldurchgangsverstärkern verstärkten Impulse werden anschließend räumlich wieder zu einem Einzelstrahl zusam mengeführt. Bei der Anordnung nach US 4 998 259 geschieht sowohl die Strahlteilung als auch die Zusammenführung nach Verstärkung durch einen rotierenden Strahlteiler spiegel, wobei die Justierung und Justierungsstabilität des Strahlteilers höchst empfindlich die Wirksamkeit der Anordnung beeinflussen.It is known from US Pat. No. 4,757,268 and US Pat. No. 4,998,259 knows the primary radiation to solve these problems Nes laser oscillator using a beam splitter pulse to split and a plurality of separate amplifiers ker feed so that through the individual amplifier average power to be realized is limited and still achieved a high total output power of the arrangement can be. Those in the individual phase conjugates Double pass amplifiers are amplified pulses then spatially together again to a single beam led. In the arrangement according to US 4 998 259 happens beam splitting as well as merging after amplification by a rotating beam splitter mirror, with the adjustment and adjustment stability the beam splitter highly sensitive to the effectiveness of Influence arrangement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstell empfindlichkeit der gattungsgemäßen Vorrichtung zu ver ringern.The invention is based, the setting sensitivity of the generic device to ver wrestle.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma len des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by a device with the characteristics len of claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vor richtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Advantageous further developments of the invention direction can be found in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, den Strahl eines gepulsten Laser-Oszillators der Repetitions rate f in N (N: ganze Zahl) Strahlen mit einer Repetiti onsrate f/N aufzuspalten und diese dann jeweils unabhän gig voneinander in einem Verstärker zu verstärken. Die Strahlzusammenführung der getrennt verstärkten Strahlen wird durch den Einsatz von phasenkonjugierenden Spiegeln in den einzelnen Verstärkern bewerkstelligt.The device according to the invention makes it possible Beam of a repetition pulsed laser oscillator rate f in N (N: integer) rays with a repetiti onsrate f / N and then separate them independently gig to amplify each other in an amplifier. The Beam combination of the separately amplified beams is achieved through the use of phase conjugate mirrors accomplished in the individual amplifiers.

Dies geschieht mit Hilfe einer Vorrichtung, bestehend aus N parallel ausgerichteten, kreisförmigen Platten, die je weils auf einem Winkelsegment von 360°/N hochreflektie rend für die Laserwellenlänge beschichtet, ansonsten je doch für die Laserwellenlänge antireflex (im folgenden AR-)-beschichtet sind (im folgenden als Segmentspiegel bezeichnet). Die Segmentspiegel werden so aufgereiht, daß die reflektierenden Winkelsegmente zweier benachbarter Platten um einen Winkel von 360°/N gegeneinander verdreht sind, so daß sich die hochreflektierenden Segmente der Platten nicht überlappen. Die starr miteinander verbunde nen Segmentspiegel rotieren mit einer Frequenz f um eine Drehachse, die kollinear zur Oberflächennormale orien tiert ist. Ein unter einem Winkel zur Rotationsachse ein fallender Laserstrahl erleidet nach der Reflexion an den hochreflektierenden Segmenten der Platten einen Strahl versatz, der von der Plattenebene abhängt. Dabei trans mittiert der Strahl vor dem Erreichen eines hochreflek tierenden Segmentes die AR-beschichteten Bereiche anderer Segmentspiegel, die den Laserstrahl jedoch nicht beein flussen. Durch eine geeignete Synchronisation des Lasers mit der Plattenanordnung kann erreicht werden, daß die Laserimpulse nacheinander an den Segmenten der einzelnen Platten reflektiert werden und somit räumlich getrennt werden. Der Ablenkwinkel hängt dabei nicht von dem Dreh winkel der Platten ab, da die Oberflächennormale kolline ar zur Drehachse liegt.This is done using a device consisting of N parallel, circular plates, each because on an angular segment of 360 ° / N highly reflective coated for the laser wavelength, otherwise depending but for the laser wavelength antireflective (in the following AR -) - are coated (hereinafter referred to as segment mirror designated). The segment mirrors are lined up in such a way that the reflective angle segments of two neighboring ones Plates rotated against each other by an angle of 360 ° / N are, so that the highly reflective segments of the Do not overlap panels. The rigidly connected NEN segment mirror rotate at a frequency f by one Axis of rotation that is collinear to the surface normal is. One at an angle to the axis of rotation falling laser beam suffers after reflection on the highly reflective segments of the plates a beam offset that depends on the plate level. Thereby trans the beam is centered before reaching a highly reflective AR-coated areas of other segments Segment mirror, which does not affect the laser beam rivers. By suitable synchronization of the laser with the plate arrangement can be achieved that the Laser pulses in succession on the segments of each Plates are reflected and thus spatially separated become. The deflection angle does not depend on the rotation angle of the plates as the surface normal colline ar to the axis of rotation.

Die so erzeugten Laserstrahlen werden jeweils in einem phasenkonjugierenden Doppel-Paß-Verstärker verstärkt und nach der Verstärkung, bedingt durch die Eigenschaften der Phasenkonjugation, automatisch in der Segmentspiegelan ordnung wieder zusammengeführt.The laser beams generated in this way are each in one phase-conjugate amplified and double-pass amplifier after reinforcement, due to the properties of the Phase conjugation, automatically in the segment mirror order merged again.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung erläutert, das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.In the following an embodiment of the device is explained, which is shown in FIGS. 1 and 2.

In Fig. 1 ist die Anordnung zur Strahlaufspaltung bzw. Zusammenführung für den Fall dargestellt, daß der Oszil latorstrahl auf vier Verstärker 8 aufgespalten wird. Die Anordnung besteht aus vier planparallelen Platten 5a-5d, die starr miteinander verbunden auf einer Drehachse 5' gelagert sind. Die Oberflächennormale aller vier Platten sind parallel zur Drehachse ausgerichtet. Die Platten 5a-5d sind jeweils auf einem 90°-Bogensegment 5.1 hochre flektierend für die Laserwellenlänge beschichtet, die restliche Fläche 5.2 der Plattenoberfläche ist antireflex (AR) beschichtet. Die Platten sind so montiert, daß die reflektierenden Segmente 5.1 jeweils um 90° gegeneinander verdreht sind, so daß sie sich, in Richtung der Rotati onsachse betrachtet, nicht überlappen. Ein unter einem Winkel auf das Plattensystem auftreffender Laserstrahl 4 wird je nach Drehwinkel der Anordnung an den reflektie renden Segmenten der Platte 5a, 5b, 5c oder 5d reflek tiert und somit in vier gegeneinander versetzte Teil strahlen 7a-7d aufgespalten. Wenn der einfallende Laser strahl 4 auf das reflektierende Segment der Platte 5a trifft, erfolgt eine Umlenkung in Teilstrahl 7a, nach ei ner Drehung der gesamten Anordnung um 90° um die Drehach se (6) passiert der Strahl 4 ungehindert die AR-Beschich tung von Platte 5a und trifft auf das reflektierende Seg ment von Platte 5b, so daß er in Teilstrahl 7b umgelenkt wird. Eine analoge Betrachtung gilt für die Teilstrahlen 7c und 7d.In Fig. 1, the arrangement for beam splitting or merging is shown in the event that the oscillator lator beam is split into four amplifiers 8 . The arrangement consists of four plane-parallel plates 5 a- 5 d, which are mounted rigidly connected to one another on an axis of rotation 5 '. The surface normal of all four plates are aligned parallel to the axis of rotation. The plates 5 a - 5 d are each coated on a 90 ° arc segment 5.1 highly reflective for the laser wavelength, the remaining surface 5.2 of the plate surface is coated with an anti-reflective (AR). The plates are mounted so that the reflective segments 5.1 are each rotated 90 ° against each other, so that they do not overlap when viewed in the direction of the rotation axis. A laser beam 4 striking the plate system at an angle is reflected depending on the angle of rotation of the arrangement on the reflecting segments of the plate 5 a, 5 b, 5 c or 5 d and thus split into four mutually offset part beams 7 a- 7 d . When the incident laser beam 4 strikes the reflecting segment of the plate 5 a, there is a deflection into partial beam 7 a, after a rotation of the entire arrangement by 90 ° around the axis of rotation ( 6 ), the beam 4 passes the AR coating unimpeded device of plate 5 a and meets the reflective segment of plate 5 b, so that it is deflected into partial beam 7 b. An analogous observation applies to the partial beams 7 c and 7 d.

Wenn der einfallende Laserstrahl mit einer Frequenz f ge pulst ist, läßt sich bei einer Drehzahl von f/4 der Seg mentspiegelanordnung bei geeigneter Synchronisierung er reichen, daß jeder vierte Puls am Segmentspiegel 5a re flektiert wird. Das gleiche gilt für die Segmentspiegel 5b-5d. Somit kann der einfallende Laserstrahl 4 der Fre quenz f in vier räumlich getrennte Strahlen der Frequenz f/4 aufgespalten werden. Entscheidend dabei ist, daß die erzeugten Teilstrahlen richtungsstabil sind, da die Dreh achse der Anordnung mit der Oberflächennormalen zusammen fällt.If the incident laser beam is pulsed at a frequency f ge, it can be achieved at a speed of f / 4 of the segment mirror arrangement with suitable synchronization that every fourth pulse at the segment mirror 5 a is reflected. The same applies to the segment mirror 5 b- 5 d. Thus, the incident laser beam 4 of the frequency f can be split into four spatially separated beams of the frequency f / 4. It is crucial here that the partial beams generated are directionally stable, since the axis of rotation of the arrangement coincides with the surface normal.

In Fig. 2 ist die Verstärkung der Teilstrahlen in den Verstärkern dargestellt. Der Strahl 4 eines Laser- Oszillators 1 fällt nach dem Passieren eines Polarisators und einer optischen Diode 3 auf die in Fig. 1 dargestell te Vorrichtung 5 und wird dort, wie oben beschrieben, in vier Teilstrahlen 7a-7d aufgespalten. Diese passieren je weils einen Verstärker 8 und werden danach an phasenkon jugierenden Elementen 9 reflektiert, so daß sie die Ver stärker 8 ein zweites Mal passieren. Durch die phasenkon jugierenden Eigenschaften werden die Teilstrahlen in der Vorrichtung 5 wieder zu einem gemeinsamen Strahl 10 zu sammengeführt, der, bedingt durch die Polarisationsdre hung der optischen Diode 3, am Polarisator 2 ausgekoppelt werden kann. Die mittlere Ausgangsleistung des Gesamtsy stemes entspricht dem Vierfachen der Leistung, die mit einem Verstärker erzielt werden kann.In FIG. 2, the gain of the sub-beams is shown in the amplifiers. The beam 4 of a laser oscillator 1 falls after passing through a polarizer and an optical diode 3 onto the device 5 shown in FIG. 1 and is split there, as described above, into four partial beams 7 a- 7 d. These happen each because of an amplifier 8 and are then reflected on phase-conjugating elements 9 , so that they pass the amplifier 8 a second time. Due to the phase-conjugating properties, the partial beams in the device 5 are brought together again to form a common beam 10 which, due to the polarization rotation of the optical diode 3 , can be coupled out at the polarizer 2 . The average output power of the overall system corresponds to four times the power that can be achieved with an amplifier.

Claims

1. A device for amplifying the laser pulses ( 4 ) egg nes pulse laser ( 1 ), with a rotating beam splitter element ( 5 ) for the spatial separation of temporally successive laser pulses in partial beams ( 7 a to 7 d), a plurality N of phase-conjugating double pass amplifiers ( 8 , 9 ), each of which one of the partial beams ( 7 a to 7 d) is fed to and which are passed through twice by the respective partial beam ( 7 a to 7 d), the partial beams ( 7 a to 7 d ) then again act on the beam splitter element ( 5 ) and, due to the phase conjugation, are brought together again to form a resulting laser beam ( 10 ), characterized in that the beam splitter element ( 5 ) is rigidly interconnected by a number N, with synchronization of the rotation with the laser pulse sequence is rotating around the surface normal and in the direction of the axis of rotation ( 5 ') is arranged in a plane-parallel manner dneter plates ( 5 a to 5 d) is formed, each coated on a circle segment ( 5.1 ) with an angle of 360 ° / N highly reflective and on the rest of the surface ( 5.2 ) are transmissive, the highly reflective circle segments ( 5.1 ) individual plates ( 5 a to 5 d) do not overlap each other.

2. Device according to claim 1, characterized in that the phase-conjugate double pass amplifier (8, 9) each having an amplifier element (8) and a separa tes phasenkonjugierendes element (9).

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the phase-conjugating double-pass amplifiers ( 8 , 9 ) each have a phase-conjugating mirror as a phase-conjugating element ( 9 ) is provided.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a polarizer ( 2 ) and an optical table ( 3 ) are provided for coupling out the resultant laser beam ( 10 ).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmissive surface parts le ( 5.2 ) have an anti-reflective coating.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that N has the value 4.