AT506600B1 - Anordnung zur optischen verstärkung von lichtpulsen - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT506 600 B1 2009-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Verstärkung von Lichtpulsen.

[0002] Optische Verstärkung durch optisches Pumpen, z.B. mit intensiven Pumppulsen im Bereich von 10 ns bis 50 ns, und dadurch hervorgerufene stimulierte Emission findet sowohl im wissenschaftlichen als auch im technischen Bereich immer mehr Anwendung.

[0003] Das Hauptproblem bei der direkten optischen Verstärkung auf hohe Energien ist das Auftreten von parasitären Nichtlinearitäten (hohes B-Integral), welche die Energieskalierbarkeit begrenzen.

[0004] Einen Lösungsansatz, um zu hohe Leistungen in einem verstärkenden optischen Element zu gelangen, bietet die „Chirped Pulse Amplification"-Methode. Dabei wird das Spektrum eines kurzen Laserpulses, z.B. an einer Sequenz von Beugungsgittern gebeugt und auf diese Weise der Puls zeitlich gestreckt. Der nun deutlich längere Puls kann vergleichsweise einfach mit herkömmlichen Kristallen verstärkt und der verstärkte Puls mit Hilfe einer zweiten Sequenz von Beugungsgittern wieder komprimiert werden. Die Energie des Pulses bleibt dabei annähernd unverändert, was in einer deutlich höheren Pulsleistung resultiert. Durch Nichtlinearitäten in der Verstärkung sind auch in diesem Fall die erzielbaren Leistungen limitiert. Um dem entgegen zu wirken, wurden die Strahl- und Verstärkerkristallquerschnitte erhöht. Der erreichbaren Verstärkungsleistung sind aber auch hier durch die maximale thermische Belastbarkeit des Verstärkerkristalls Grenzen gesetzt.

[0005] Eine weitere Verbesserung wurde mit der „Tilted Pulse Amplification" angestrebt, bei der aber die Anwendung von Beugungsgittern keine praktische Umsetzung ermöglicht.

[0006] Des weiteren wurde die sogenannte „Divided Pulse Amplification" (DPA) vorgeschlagen, bei welcher Stapel von doppelbrechenden Kristallen durchlaufen werden. Hier besteht der Nachteil, dass diese Stapel bzw. die Kristalle mit jeder Pulsteilung exponentiell dicker werden, sodass rasch die materialtechnische Grenze erreicht ist.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur optischen Verstärkung von Lichtpulsen anzugeben, die mit konstruktiv einfachen Mitteln realisierbar ist und ohne die übermäßige Anwendung von nichtlinearem Material in der Verstärkerkette auskommt.

[0008] Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung zur optischen Verstärkung von Lichtpulsen eine Lichtquelle zur Aussendung von Lichtpulsen, eine Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife mit einer Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit, die mit der Lichtquelle verbunden ist, um jeden gesendeten Lichtpuls in zwei Lichtpulse aufzuteilen und diese in entgegengesetzten Richtungen in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife einzukoppeln und welche Eingangs/Ausgangs-kopplungs-Einheit geeignet ist, die aufgeteilten Lichtpulse nach dem Durchlaufen der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife in entgegengesetzten Richtungen als rekombinierte Lichtpulse wieder auszukoppeln, [0009] gegebenenfalls zumindest eine in Bezug auf die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife, welche in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife geschaltet ist, wobei die zumindest eine untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife ihrerseits jeweils eine gegenüber dieser untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife beinhalten kann, welche beliebig oft mit weiteren untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleifen verschachtelt sein kann, [0010] und zumindest ein optisches Verstärkungselement, das innerhalb der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife oder innerhalb der zumindest einen untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife oder den weiteren untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleifen an einer asymmetrischen Position angeordnet ist, um von [0011] den aufgeteilten Lichtpulsen zeitlich voneinander getrennt in entgegengesetzter Richtung zumindest einmal durchlaufen zu werden. 1/20 österreichisches Patentamt AT506 600B1 2009-10-15 [0012] Die Erfindung wendet somit als Grundbaustein zur Erzielung einer Pulsteilung ein Sagnac-Interferometer an, wobei die zeitliche Separation der zwei auf diese Weise geteilten, gegenläufigen Pulse beim Durchlaufen des optischen Verstärkungselements durch jeweils unterschiedliche Wegstrecken zwischen der Eingangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit und dem optischen Verstärkungselement erzielt wird. Dies wird durch die asymmetrische Anordnung des optischen Verstärkungselements in der Sagnac-Interferometer -Grund-Schleife oder einer der weiteren untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleifen ermöglicht.

[0013] Dabei kann das Verstärkungselement von den geteilten Lichtpulsen mehrmals durchlaufen werden.

[0014] Mit anderen Worten wird, um die bei der optischen Verstärkung erzeugte Spitzenleistung im optischen Verstärkungselement herabzusetzen, der über die Eingangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit eingekoppelte Lichtpuls geteilt und durch die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife mit unterschiedlicher Weglänge in Bezug auf das optische Verstärkungselement im Vorwärts- und im Rückwärtskreis gesendet, um dann in der Eingangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit wieder rekombiniert zu werden.

[0015] Eine weitere Reduktion der Belastung des optischen Verstärkungselements ergibt sich, wenn die eine oder mehreren untergeordnete(n) Sagnac-Interferometer-Schleifen in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife eingesetzt werden, sodass die geteilten Pulse jeweils nochmals geteilt werden.

[0016] Eine Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass das optische Verstärkungselement ein Laser-Kristall ist, wobei der Laser-Kristall ein isotroper Laser-Kristall sein kann. Auf diese Weise kann innerhalb bestimmter Anwendungsgrenzen eine nennenswerte optische Verstärkung erzielt werden. Bei Anwendung mehrerer erfindungsgemäß verschachtelter Sagnac-Interferometer-Schleifen kann die optische Verstärkung entsprechend erhöht werden, ohne die für das optische Verstärkungselement maximal zulässige Spitzenleistung zu überschreiten.

[0017] Es kann der Laser-Kristall auch als ein doppelbrechender Laser-Kristall vorgesehen sein, wobei entsprechende Vorkehrungen getroffen werden müssen, um den Einfluss der Doppelbrechung auf die den Laser-Kristall durchlaufenden Teil-Lichtpulse zu kompensieren.

[0018] Darüber hinaus ist das im Rahmen der Erfindung ersetzbare optische Verstärkungselement aber nicht auf Verstärkung basierend auf stimulierter Emission beschränkt, weshalb das optische Verstärkungselement beispielsweise auch ein optisch parametrischer Verstärker-Kristall sein kann.

[0019] Die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife kann eine oder mehrere untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleifen beinhalten, die als Teil des optischen Pfades von allen Teil-Lichtpulsen vollständig durchlaufen werden, wobei dabei wieder eine Aufspaltung in Teil-Lichtpulse vorgenommen wird.

[0020] Dies kann gemäß einerweiteren Ausführungsform der Erfindung für eine untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife dadurch umgesetzt sein, dass die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife einen Teilungs/Rekombinierungsknoten aufweist, über den in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife geschaltet ist, sodass die die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife in eine erste Richtung durchlaufenden Teil-Lichtpulse über den Teilungs/Rekombinierungsknoten nach Durchlaufen der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife durch Aufteilen und Rekombinieren in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife wiedereintreten und diese in der ersten Richtung weiter durchlaufen und die die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife in eine zweite, entgegengesetzte Richtung durchlaufenden Teil-Lichtpulse überden Teilungs/Rekombinierungsknoten nach Durchlaufen der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife durch Aufteilen und Rekombinieren in die übergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife wiedereintreten und diese in der zweiten, entgegengesetzten Richtung weiter durchlaufen.

[0021] Der Teilungs/Rekombinierungsknoten kann durch zwei polarisierende Strahlteiler und 2/20 österreichisches Patentamt AT506 600 B1 2009-10-15 ein Lambda-Viertel-Element oder ein Lambda-Halbe-Element oder einen Faraday-Rotator gebildet sein, die über einen optischen Pfad direkt miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise können die in die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife eintretenden Teil-Lichtpulse erneut aufgeteilt und nach dem Durchlaufen wieder zu Teil-Lichtpulsen rekombiniert werden, die dann den Durchlauf der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife fortsetzen.

[0022] Analog dazu kann die Eingangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit ein Lambda-Viertel-Element oder ein Lambda-Halbe-Element oder einen Faraday-Rotator sowie einen polarisierenden Strahlteiler umfassen, die über einen optischen Pfad direkt miteinander gekoppelt sind. Damit ist die Funktion der Eingangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit, die im Aufteilen von in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife gesendeten Lichtpulsen und Rekombinieren von aus der Schleife austretenden Teil-Lichtpulsen besteht, auf einfache Weise gewährleistet.

[0023] Alternativ dazu kann die Eingangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit ein Lambda-Viertel-Element oder einen Faraday-Rotator sowie zwei polarisierende Strahlteiler umfassen, die über einen optischen Pfad direkt miteinander gekoppelt sind.

[0024] Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigt dabei [0025] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur optischen Verstärkung; [0026] Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0027] Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0028] Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0029] Fig. 5 eine schematische Darstellung einerweiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0030] Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0031] Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; der erfindungs- [0032] Fig. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform gemäßen Anordnung; [0033] Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0034] Fig. 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0035] Fig. 11 ein Diagramm der spektralen Intensität der verstärkten Teil-Lichtpulse sowie des rekombinierten Lichtpulses; [0036] Fig. 12 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; [0037] Fig. 13 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und [0038] Fig. 14 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

[0039] Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur optischen Verstärkung von Lichtpulsen unter Zuhilfenahme eines Sagnac-Interferometer-Strahlengangs. 3/20 österreichisches Patentamt AT506 600 B1 2009-10-15 [0040] Zu diesem Zweck ist eine Lichtquelle 1 zur Aussendung von Lichtpulsen und eine Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 vorgesehen, die über eine Eingangs/Ausgangs-kopplungs-Einheit 2 miteinander gekoppelt sind. Die Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 teilt jeden über einen Eingang 17 gesendeten Lichtpuls (Pfeil 32) in zwei Teil-Lichtpulse (Pfeil 30 und 31) auf und koppelt diese in entgegengesetzten Richtungen in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 ein.

[0041] Auf welche Weise die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 realisiert ist, z.B. mit einer kreisförmig geführten Glasfaser-Leitung (Fig. 12) oder mit einem über Spiegeln umgelenkten, optischen Pfad, unterliegt im Rahmen der Erfindung keinerlei Einschränkungen. In der Prinzipskizze gemäß Fig. 1 sind an den Umlenkstellen des optischen Pfads keine dafür geeigneten Vorrichtungen eingezeichnet, diese können aber z.B. durch Spiegel-Elemente verwirklicht sein.

[0042] Eine geeignete Lichtquelle 1 ist beispielsweise eine Lichtquelle, die ultrakurze Lichtpulse mit der Dauer von 10 ps bis 50 ps und einer Wiederholfrequenz von 1000 Hz aussendet.

[0043] Der eine Teil-Lichtpuls, symbolisiert durch Pfeil 30, durchläuft dabei die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 im Uhrzeigersinn, während der andere Teil-Lichtpuls gemäß Pfeil 31 sie im Gegen-Uhrzeigersinn durcheilt.

[0044] Nachdem die Teil-Lichtpulse die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 durchlaufen haben, treffen diese bei der Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 wieder aufeinander, welche geeignet ist, die aufgeteilten Lichtpulse als rekombinierten Lichtpuls, der in Fig. 1 durch Pfeil 33 angedeutet ist, wieder auszukoppeln. Dieser rekombinierte Lichtpuls ist optisch verstärkt und erscheint daher am Ausgang 18 mit höherer Intensität auf als der in den Eingang 17 gesendete Lichtpuls.

[0045] Um die optische Verstärkung zu erreichen, ist ein optisches Verstärkungselement 4, das z.B. durch einen Laser-Kristall 5 gebildet sein kann, innerhalb der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 an einer asymmetrischen Position angeordnet, um von den aufgeteilten Lichtpulsen zeitlich voneinander getrennt in entgegengesetzter Richtung zumindest einmal durchlaufen zu werden. Das optische Verstärkungselement ist aber nicht auf das Prinzip der Verstärkung basierend auf stimulierter Emission beschränkt, sondern es kann z.B. auch ein optisch parametrischer Verstärker-Kristall Anwendung finden, mit dem eine parametrische Verstärkung ausgeführt wird.

[0046] Unter asymmetrischer Position sind dabei alle Stellen zu verstehen, die gegenüber der symmetrischen Position 89 nennenswert versetzt sind, sodass sich eine zeitliche Separation der aufgeteilten Lichtpulse im optischen Verstärkungselement 4 ergibt.

[0047] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist daher innerhalb der Sagnac-Grund-Schleife 3 aus geometrischen Gründen der Weg zum optischen Verstärkungselement 4 für den im Uhrzeigersinn umlaufenden Lichtpuls 30 länger als für den im Gegen-Uhrzeigersinn umlaufenden Lichtpuls 31. Auf diese Weise kommt der eine Lichtpuls später beim optischen Verstärkungselement 4 an als der gegenläufige und eine zeitliche Separation beim Durchlaufen des optischen Verstärkungselements wird erreicht.

[0048] Fig.2 zeigt eine äquivalente Anordnung, in welcher die Lichtein- und -auskopplung in umgekehrter Weise erfolgt.

[0049] Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, in der das erfindungsgemäße Prinzip verwirklicht ist, indem in der Sagnac-Interferometer-Grundschleife 3 eine in Bezug auf diese untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3' verschachtelt angeordnet ist, wobei der von der Lichtquelle 1 in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 gesendete Lichtpuls in zwei Teil-Lichtpulse 30, 31 aufgeteilt wird, deren Weg innerhalb der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 in der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' fortgeführt wird.

[0050] Bei Eintritt in die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3' wird jeder aus der 4/20 österreichisches Patentamt AT506 600B1 2009-10-15

Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 kommende Teil-Lichtpuls 30, 31 wieder in jeweils zwei gegenläufige, also insgesamt vier Lichtpulse 300, 310 aufgeteilt, die die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3' in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, um dann wieder zu jeweils einem Lichtpuls rekombiniert zu werden, der aus der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' wieder austritt und seinen Weg in der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 weiter fortsetzt, um wieder zur Eingangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit 2 zu gelangen.

[0051] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist das optische Verstärkungselement 4 an einer asymmetrischen Position innerhalb der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' angeordnet, sodass vier zeitlich versetzte Teil-Lichtpulse durch das optische Verstärkungselement 4 hindurchtreten.

[0052] Die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3' kann ihrerseits eine gegenüber dieser untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife beinhalten (in Fig. 3 nicht dargestellt), welche beliebig oft mit weiteren untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleifen verschachtelt sein kann.

[0053] Zum Zwecke des Übertritts zwischen der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 und der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' weist die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 einen Teilungs/Rekombinierungsknoten 8 auf, überden die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3' in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 geschaltet ist, sodass die die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 in eine erste Richtung (Pfeil 30) durchlaufenden Teil-Lichtpulse über den Teilungs/Rekombinierungsknoten 8 nach Durchlaufen der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' durch Aufteilen und Rekombinieren in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 wiedereintreten und diese in der ersten Richtung weiter durchlaufen und die die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 in eine zweite, entgegengesetzte Richtung (Pfeil 31) durchlaufenden Teil-Lichtpulse über den Teilungs/Rekombinierungsknoten 8 nach Durchlaufen der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' durch Aufteilen und Rekombinieren in die übergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3 wiedereintreten und diese in der zweiten, entgegengesetzten Richtung weiter durchlaufen.

[0054] Eine zu Fig. 3 äquivalente Ausführungsform ist in Fig. 13 gezeigt.

[0055] Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3, in der das Verstärkungselement 4 als optisch isotroper Laser-Kristall 70 in asymmetrischer Position angeordnet ist. Der Strahlengang innerhalb der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 ist dabei so eingerichtet, dass jeder Teil-Lichtpuls den Laser-Kristall 70 zweimal durchläuft (Zweifach-Durchgang), bevor beide Teil-Lichtpulse in der Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 wieder zu einem Lichtpuls rekombiniert werden.

[0056] Die Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 ist in der Ausführungsform gemäß Fig.4 aus einem Lambda-Halbe-Element 20 und einem polarisierenden Strahlteiler 21 zusammengesetzt. Das Lambda-Halbe-Element 20, das z.B. durch eine Lambda-Halbe-Platte realisiert ist, bewirkt eine Rotation der Polarisation des einfallenden, linear polarisierten Lichtpulses um 45 Grad. Der in Strahlrichtung nachfolgende polarisierende Strahlteiler 21 spaltet den Lichtpuls in einen reflektierten s-polarisierten Teil-Lichtpuls und einen transmittierten p-polarisierten Teil-Lichtpuls auf, wodurch der p-polarisierte Teil-Lichtpuls aufgrund des Wegunterschieds zuerst durch den Laserkristall 70 hindurchtritt und dann erst der s-polarisierte Teil-Lichtpuls. Der zweite Durchlauf erfolgt in der gleichen Reihenfolge. Damit koppelt die Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 für jeden gesendeten Lichtpuls zwei in entgegengesetzte Richtungen sich ausbreitende Teil-Lichtpulse in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife ein.

[0057] Nach vollständigem Durchlauf werden die zwei gegenläufigen Teil-Lichtpulse in der Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 wieder zu einem austretenden Lichtpuls rekombiniert. Ein in den Strahlengang eingesetzter Doppelbrechungs-Phasenkompensator 22, der mit seinen Hauptachsen parallel zu der p- und s-Polarisation liegt, sorgt für die erforderliche Phasenkorrektur. 5/20 österreichisches Patentamt AT506 600 B1 2009-10-15 [0058] Fig. 11 zeigt die spektrale Intensität für den p-polarisierten und den s-polarisiertenTeil-Lichtpuls nach ihrer Verstärkung sowie die spektrale Intensität des rekombinierten Teil-Lichtpulses am Ausgang 18, die der Summe der beiden Teil-Intensitäten entspricht.

[0059] Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, in welcher der Laserkristall 5 durch einen - intrinsisch oder thermisch induzierten -doppelbrechenden Laser-Kristall 71 gebildet ist, der in der Sagnac-interferometer-Grund-Schleife 3 asymmetrisch angeordnet ist.

[0060] Hier ist die Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 durch einen polarisierenden Ein-gangs-Ausgangs-Strahlteiler 28, ein Lambda-Viertel-Element 29 und den polarisierenden Strahlteiler 21 gebildet, die über einen optischen Pfad miteinander gekoppelt sind. Das Lamda-Viertel-Element 29, z.B. eine Lambda-Viertel-Platte, kann auch durch einen Faraday-Rotator, der die Polarisation um 45 Grad dreht, ersetzt sein.

[0061] Der Eingangs-Ausgangs-Strahlteiler 28 lässt einen aus der Lichtquelle 1 gesendeten, p-polarisierten Lichtpuls ungehindert zum nachfolgenden Lambda-Viertel-Element 29 durchtreten, wo der Lichtpuls in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teil-Lichtpulse p und s aufgespaltet wird, die einen Gangunterschied von einer Viertel-Wellenlänge haben. Der in Einfallsrichtung nachfolgende polarisierende Strahlteiler 21 koppelt den p-Teil-Lichtpuls im Gegen-Uhrzeigersinn und den s-Teil-Lichtpuls im Uhrzeigersinn in die Sagnac-Interferometer-Grundschleife 3 ein. Nach zweifachem Durchlauf durch den doppelbrechenden Laser-Kristall 71 wird der p-T eil-Lichtpuls durch ein Lambda-Halbe-Element 23 in einen s-polarisierten Teil-Lichtpuls umgewandelt, der dann am polarisierenden Strahlteiler 21 in Richtung des Lambda-Viertel-Elements 29 rückreflektiert wird.

[0062] Im Gegensatz dazu wird der s-T eil-Lichtpuls bereits vor dem Hindurchtreten durch den Laser-Kristall 71 mit Hilfe des Lambda-Halbe-Elements 23 zu einem p-T eil-Lichtpuls umgewandelt, um nach zweimaligem Durchlauf durch den Laser-Kristall 71 unabgelenkt durch den polarisierenden Strahlteiler hindurch geleitet zu werden. Beide aus der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 ausgekoppelten Teil-Lichtpulse werden im Lambda-Viertel-Element 29 wieder zu einem verstärkten Lichtpuls mit s-Polarisierung rekombiniert und über Reflexion am Eingangs-Ausgangs-Strahlteiler 28 zum Ausgang 18 geführt. Da der doppelbrechende Laser-Kristall 71 von allen Teil-Lichtpulsen mit p-Polarisation durchlaufen wird, wird der Einfluss der Doppelbrechung kompensiert.

[0063] Weiter unten wird anhand des in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiels eine Variante der Erfindung erläutert, bei der anstelle des Lambda-Viertel-Elements 29 eine Pockels-Zelle sowie ein Lambda-Halbe-Element eingesetzt wird.

[0064] Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel verwirklicht eine asymmetrische Anordnung des doppelbrechenden Laser-Kristalls 71 mit einem jeweils einfachen Durchlauf der beiden Teil-Lichtpulse mit p- und s-Polarisierung, die durch dieselbe Form der Ein-gangs/Ausgangskopplungs-Einheit 2 erreicht wird wie in der Ausführungsform gemäß Fig.4. Hier wird durch Anordnung eines Faraday-Rotators 60, der in beiden Richtungen eine Drehung der Polarisationsrichtung um 45° verursacht, im Kreuzungsmittelpunkt der Sagnac-Interferometer-Äste und durch Anordnen von einem Lambda-Halbe-Element 61, 62 jeweils in beiden Laufrichtungen zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 21 und dem Faraday-Rotator 60 erreicht, dass sowohl der p-polarisierte Teil-Lichtpuls als auch der s-polarisierte Teil-Lichtpuls mit p-Polarisierung durch den doppelbrechenden Laser-Kristall 71 geführt werden, um den Einfluss der Doppelbrechung zu eliminieren.

[0065] Fig.7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 gemäß Fig.4 eine in Bezug auf diese untergeordnete Sagnac-Interferometerschleife 3' geschaltet ist. Dies entspricht der Anordnung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.

[0066] Anstelle des Doppelbrechungs-Phasenkompensators 22, wie er in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 angewandt wird, tritt eine variable optische Verzögerungseinheit 50.

[0067] Beim Übertritt in die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3' werden sowohl 6/20 österreichisches Patentamt AT506 600B1 2009-10-15 der p-polarisierte Teil-Lichtpuls als auch der s-polarisierte Teil-Lichtpuls über das Lambda-Halbe-Element 20' wieder in jeweils zwei s- und p-Teil-Lichtpulse, nämlich s1, s2' und pT, p2' aufgespaltet, welche durch einen polarisierenden Strahlteiler 41 und eine Spiegelanordnung 42, 43, 44 so durch das optische Verstärkungselement 4 geleitet werden, dass alle vier Teil-Lichtpulse durch das Verstärkungselement 4 hindurchtreten und danach rückreflektiert werden und nochmals durch dieses geleitet werden, woraus sich insgesamt acht Durchgänge ergeben. Um den Strahlengang zu vereinfachen, ist der Spiegel 44 als ein vertikaler V-Retroreflektor ausgeführt, aus dem der reflektierte Strahl gegenüber dem in diesen eintretenden Strahl höhenversetzt austritt. Auch in der variablen optischen Verzögerungseinheit 50' wird ein derartiger Spiegel eingesetzt.

[0068] Das Lambda-Halbe-Element 51 dreht die Polarisation der einfallenden s-polarisierten Teil-Pulse sT s2' um 90 Grad, so dass alle Teil-Lichtpulse das Verstärkungselement 4 mit p-Polarisation durchlaufen, und dreht die Polarisation der verstärkten Teil-Lichtpulse pT, p2' um 90 Grad zur s-Polarisation.

[0069] Nach den acht Durchgängen werden die Teil-Lichtpulse sT, s2' und pT, p2' aus der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' kommend im polarisierenden Strahlteiler 21' rekombiniert und als Teil-Lichtpulse s und p in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 eingekoppelt, welche sie nun bis zum Ende durchlaufen. Der Teilungs/Rekombinierungsknoten 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch das Lamba-Halbe-Element 20' und den polarisierenden Strahlteiler 21' gebildet.

[0070] Analog dazu zeigt Fig. 8 eine Ausführungsform, bei der in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3', und in diese wiederum eine weitere untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3" geschaltet ist. Die verwendete Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 ist mit den in Zusammenhang mit Fig. 5 erläuterten Komponenten aufgebaut, ebenso wie die beiden untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleifen 3', 3". Der Strahlengang ist dabei wegen seiner Kompliziertheit vereinfacht dargestellt.

[0071] Ebenso unter Anwendung der Sagnac-Interometer-Grund-Schleife 3 gemäß Fig. 5 ist die in Fig.9 gezeigte Ausführungsvariante aufgebaut, mit dem Unterschied gegenüber Fig. 5, dass beim Übergang zwischen der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 und der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife 3' der Strahlengang des s-polarisierten Teil-Lichtpulses und des p-polarisierten Teil-Lichtpulses über zwei getrennte Strahlteiler 28', die über einen optischen Pfad 60 direkt miteinander verbunden sind, und in weiterer Folge über vier weitere Strahlteiler 28", von denen jeweils zwei über einen optischen Pfad 60' direkt miteinander verbunden sind, aufgeteilt werden. Wie in Fig.9 schematisch gezeigt, bewirkt jede weitere untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife 3', 3" eine Aufteilung der Intensität der Teil-Lichtpulse auf die Hälfte gegenüber der jeweils übergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife.

[0072] Ein ähnlicher Strahlengang wie in den Anordnungen gemäß Fig. 8 und 9 ist in der Ausführungsform gemäß Fig. 10 gewählt. Wiederum sind eine Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife 3 und zwei untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleifen 3', 3" vorgesehen, wobei sich von Schleife zu Schleife die Anzahl der aufgespalteten Teil-Lichtpulse verdoppelt, sodass das asymmetrisch angeordnete optische Verstärkungselement 4 insgesamt von acht Teil-Lichtpulsen zweifach durchlaufen wird.

[0073] Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der gegenüber der in Fig. 8 gezeigten Variante anstelle der Lambda-Viertel-Elemente 29, 29', 29" jeweils eine Lambda-Halbe-Pockels-Zelle 290, 290', 290" und ein Lambda-Halbe-Element 291, 29T, 291" zum Einsatz gelangen. Die Pockels-Zelle 290, 290', 290" dreht bei Anlegen eines elektrischen Feldes die Polarisationsebene um 90 Grad. Die Pockels-Zelle ist eingeschaltet, während die Lichtpulse eintreten und ist ausgeschaltet, während die Lichtpulse austreten, wodurch eine 90Grad-Drehung der Polarisationsebene des Ausgangssignals in Bezug auf das Eingangssignal entsteht.

[0074] Alternativ kann auch die Pockels-Zelle ausgeschaltet sein, während die Lichtpulse ein- 7/20

Claims (9)

1. österreichisches Patentamt AT506 600B1 2009-10-15 treten und eingeschaltet sein, während die Lichtpulse austreten. Mit anderen Worten wird der Zustand der Pockels-Zelle 290, 290', 290" geändert, während die Teil-Lichtpulse die jeweilige Sagnac-Interferometer-Schleife 3, 3', 3" durchlaufen. Patentansprüche 1. Anordnung zur optischen Verstärkung von Lichtpulsen, die Folgendes umfasst: - eine Lichtquelle (1) zur Aussendung von Lichtpulsen, - eine Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) mit einer Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit (2), die mit der Lichtquelle (1) verbunden ist, um jeden gesendeten Lichtpuls in zwei Lichtpulse aufzuteilen und diese in entgegengesetzten Richtungen in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) einzukoppeln und welche Eingangs/Ausgangskopplungs-Einheit (2) geeignet ist, die aufgeteilten Lichtpulse nach dem Durchlaufen der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) in entgegengesetzten Richtungen als rekombinierten Lichtpuls wieder auszukoppeln, - gegebenenfalls zumindest eine in Bezug auf die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife (3', 3"), welche in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) geschaltet ist, wobei die zumindest eine untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife (3', 3") ihrerseits jeweils eine gegenüber dieser untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife beinhalten kann, welche beliebig oft mit weiteren untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleifen verschachtelt sein kann, und - zumindest ein optisches Verstärkungselement (4), das innerhalb der Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) oder innerhalb der zumindest einen untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife (3', 3") oder den weiteren untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleifen an einer asymmetrischen Position angeordnet ist, um von den aufgeteilten Lichtpulsen zeitlich voneinander getrennt in entgegengesetzter Richtung zumindest einmal durchlaufen zu werden.
2. 2. Anordnung zur optischen Verstärkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verstärkungselement (4) ein Laser-Kristall (5) ist.
3. 3. Anordnung zur optischen Verstärkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser-Kristall (5) ein isotroper Laser-Kristall (70) ist.
4. 4. Anordnung zur optischen Verstärkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser-Kristall (5) ein doppelbrechender Laser-Kristall (71) ist.
5. 5. Anordnung zur optischen Verstärkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verstärkungselement (4) ein optisch parametrischer Verstärker-Kristall (7) ist.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) einen Teilungs/Rekombinierungsknoten (8) aufweist, über den in die Sagnac- Interferometer-Grund-Schleife (3) die untergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife (3', 3") geschaltet ist, sodass die die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) in eine erste Richtung durchlaufenden Teil-Lichtpulse über den Teilungs/Rekombinierungsknoten (8) nach Durchlaufen der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife (3', 3") durch Aufteilen und Rekombinieren in die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) wiedereintreten und diese in der ersten Richtung weiter durchlaufen und die die Sagnac-Interferometer-Grund-Schleife (3) in eine zweite, entgegengesetzte Richtung durchlaufenden Teil-Lichtpulse über den Teilungs/Rekombinierungsknoten (8) nach Durchlaufen der untergeordneten Sagnac-Interferometer-Schleife (3',, 3") durch Aufteilen und Rekombinieren in die übergeordnete Sagnac-Interferometer-Schleife (3) wiedereintreten und diese in der zweiten, entgegengesetzten Richtung weiter durchlaufen.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilungs/Rekombinierungsknoten (8) durch zwei polarisierende Strahlteiler (21') und ein Lambda-Viertel-Element oder ein Lambda-Halbe-Element (20') oder einen Faraday-Rotator gebildet ist, die über einen optischen Pfad direkt miteinander gekoppelt sind. 8/20 österreichisches Patentamt AT506 600B1 2009-10-15
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein-gangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit (2) ein Lambda-Viertel-Element oder ein Lambda-Halbe-Element (20) oder einen Faraday-Rotator sowie einen polarisierenden Strahlteiler (21) umfasst, die über einen optischen Pfad direkt miteinander gekoppelt sind.
9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein-gangs/Ausgangs-Kopplungs-Einheit (2) ein Lambda-Viertel-Element oder einen Faraday-Rotator sowie zwei polarisierende Strahlteiler umfasst, die über einen optischen Pfad direkt miteinander gekoppelt sind. Hierzu 11 Blatt Zeichnungen 9/20