DE1639161A1 - Rod laser for amplifier chains - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS DIPL.ING. H.LEINWEBER dipl-ing. H.ZIMMERMANNDIPL.ING. H.LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

Potttdtedc-Konto:Potttdtedc account: Bank-Konto:Bank account: Telefonphone Tel.-Adr.Tel.-Adr. Manchen 22045Some 22045 Dresdner Bank AG.Dresdner Bank AG. München (0111) 2HfSfMunich (0111) 2HfSf lelnpat MBachlelnpat MBach München 2, Marlenplatz, Kto.-Nr. 92790Munich 2, Marlenplatz, account no. 92790

8 MUnchen 2, Rosental 7,2. Aufg. (Kustermann-Passage) 8 Munich 2, Rosental 7, 2nd exercise. (Kustermann Passage)

den 21. Februar 1968February 21, 1968

COtIPAGNIE GEMEHALE D¹ELECTEICITe, Paris/Frankreich Stablaser für VerstärkerkettenCOtIPAGNIE GEMEHALE D ¹ ELECTEICITe, Paris / France Rod laser for amplifier chains

Die Erfindung betrifft Stablaser, mit deren Hilfe am Ausgang einer Laserverstärkerkette ein gleichmäßiger Leistungsfluß erzielbar ist.The invention relates to rod lasers, with the aid of which there is a uniform flow of power at the output of a laser amplifier chain is achievable.

Verstärkerketten aus Festkörperlasern bestehen aus einer Beine von Stablasern, von denen der erste, der sogenannte "Pilotlaser¹¹ auf herkömmliche Weise arbeitet. Dabei besteht der Resonanzraum aus einem Perot-Fabry-Interferometer mit halbdurchlässigen Ausgangsseiten. Der von diesem ersten Laser ausgehende Photonenstrom tritt in einen zweiten Stab größeren Durchmessers" ein, der keinen Eesonanzraum hat. So wird durch den Photonenfluß selbst die stimulierte Emission hervorgerufen werden. So ist also im ersten Stab die Emission eine Folge des dort vorhandenen Besonanzraumes, während sie im zweiten durch den vomAmplifier chains made of solid-state lasers consist of a leg of rod lasers, the first of which, the so-called "pilot laser ¹¹ ", operates in a conventional manner. The resonance chamber consists of a Perot-Fabry interferometer with semi-transparent output sides second rod of larger diameter ", which has no resonance space. The stimulated emission will thus be produced by the flow of photons itself. So in the first bar the emission is a consequence of the resonance room present there, while in the second it is caused by the from

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ersten Stab emittierten Photonenfluß hervorgerufen wird.first rod emitted photon flux is caused.

Diese Vorrichtung führt also zu einer beträchtlichen Leistungsverstärkung. Man ordnet deshalb auf diese Weise mehrere, beispielsweise fünf Verstärkstufen hintereinander an, wobei dann die stimulierte Emission in jedem Stab durch den Photonenstrom vom vorhergehenden Stab ausgelöst wird.This device thus leads to a considerable gain in performance. Therefore, in this way, several for example five amplification stages in a row, in which case the stimulated emission in each rod is caused by the flow of photons is triggered by the previous rod.

Derart aufgebaute bekannte Leistungslaser benötigen als aktives Medium Stäbe großen Durchmessers. Das führt zu dem lachteil, daß die Wirkung des optischen Pumpens wegen der Absorption der anregenden Lichtstrahlen im aktiven Material selbst, insbesondere bei gedoptem Glas, im Mittelpunkt des Stabes sehr viel geringer ist als an seinem Umfang. Nun ist bei der Inversion der Besetzungszahlen die Besetzungsdichte proportional zur gespeicherten Energiedichte. Die Größe der Besetzungszahl des angeregten Zustandes fällt deshalb vom Umfang zum Mittelpunkt des Stabes hin rasch ab. Daraus folgt, daß die Energieverstärkung eines zylindrischen Verstärkers am Umfang viel größer sein wird als am Mittelpunkt. Für die EnergieverStärkung gilt in einem solchen Fall bei einem System mit drei Energieniveaus die Gleichung:Known power lasers constructed in this way require rods of large diameter as the active medium. This leads to the disadvantage that the effect of optical pumping is due to absorption of the exciting light rays in the active material itself, in particular with doped glass, the center of the rod is much smaller than its circumference. Now the inversion is Occupation numbers the occupation density proportional to the stored energy density. The size of the occupation of the excited The state therefore drops rapidly from the circumference to the center of the rod. It follows that the energy gain of a cylindrical Amplifier will be much larger at the circumference than at the center. For the energy amplification applies in such a In the case of a system with three energy levels, the equation:

'_E = ^L°g I 1 + β (e'' _E = ^L ° g I 1 + β (e'

009885/1781009885/1781

-5--5-

worin ^₀ die Inversion der Besetzungszahlen nach dem Pumpen, d der Wirkungsquerschnitt der Verstärkung, L die Länge des Stabeswhere ^ _{0 is} the inversion of the population numbers after pumping, d is the effective cross-section of the reinforcement, L is the length of the rod

2 und #1 der am Eingang empfangene Photonenstrom pro cm ist, der als Zeit proportional angenommen wird.2 and # 1 is the photon stream received at the input per cm, which is assumed to be proportional to time.

Die emittierte Leistung ist also praktisch in einem Hingkranz am Umfang des Stabes konzentriert. Diese Erscheinung wird in den einander nachgeschalteten Stufen noch verstärkt. Da der Leistungsfluß pro Oberflächeneinheit durch die Bruchbeanspruchungsgrenze des Materials nicht beliebig wachsen kann, muß man also Stäbe mit größeren Durchmessern verwenden als es bei gleichmäßiger Verteilung der Energie notwendig wäre.The emitted power is practically concentrated in a ring around the circumference of the rod. This appearance will reinforced in the following stages. Because the power flow per unit surface area through the breaking stress limit of the material cannot grow at will, one must use rods with larger diameters than with more uniform ones Distribution of energy would be necessary.

Die Erfindung "hat das Ziel, diesem Nachteil auf einfache Weise abzuhelfen und demnach die von einem aktiven Stab mit gegebenem Durchmesser emittierte Leistung anzuheben.The invention "aims to remedy this disadvantage in a simple manner Way to remedy this, and thus increase the power emitted by an active rod of a given diameter.

Gegenstand der Erfindung ist ein Stablaser, der sich dadurch auszeichnet, daß sein eines Ende £. ^geschliffen ist, daß die verschiedenen Lichtstrahlen, aus denen der zu verstärkende Photonenstrom besteht, im Stabmaterial Wege zurückzulegen haben, deren Länge vom Stabmittelpunkt zum Umfang hin abnimmt. Die Gesetzmäßigkeit dieser Abnahme hängt dabei vom Wirkungsquerschnitt des aktiven Mediums bei der Laser-Wellenlänge ab. Die Gesetzmäßigkeit übersetzt dabei die Änderung in der Inversion der Be-The invention relates to a rod laser which is characterized in that its one end £. ^ is ground that the various light rays that make up the stream of photons to be amplified have to cover paths in the rod material, whose length decreases from the center of the rod towards the circumference. The regularity of this decrease depends on the cross-section of the active medium at the laser wavelength. The law translates the change in the inversion of the

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Setzungszahlen nach dem Pumpen in eine Funktion des Abstandes von der Achse des Stabes, vom gerade zur Zerstörung des aktiven Mediums führenden Leistungsfluß, von der Emissionsfrequenz des Lasers und von der Gesetzmäßigkeit der Photonenflußverteilung am Eintrieb des Stabes um.Settlement numbers after pumping in a function of the distance from the axis of the rod, from the straight to the destruction of the active Medium leading power flow, from the emission frequency of the Lasers and the regularity of the photon flux distribution at the entrance of the rod.

Vorteilhafterweise kann dabei, damit man eine ebene Ausgangsfläche behält, das zugeschliffene Ende der Stäbe von einer zylindrischen Hülse umgeben sein, die selbst eine ebene Endfläche hat und eine Substanz enthält, die den gleichen Brechungsquotienten wie der Stab aufweist und für die Wellenlängen der Laserstrahlung und des optischen Pumpens des von ihr abgedeckten aktiven Materials durchlässig ist.Advantageously, so that you have a flat starting surface retains, the ground end of the rods be surrounded by a cylindrical sleeve, which itself has a flat end surface and contains a substance that has the same refractive index as the rod has and for the wavelengths of the laser radiation and the optical pumping of that covered by it active material is permeable.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Hülse aus Silicium und enthält ein Silikonöl. Man kann beispielsweise auch Tetrachloräthylen verwenden, wenn der Stab aus einem gedoptem Neodymglas besteht oder Glyzerin, wenn der Stab ein Rubin ist. In diesen beiden Fällen besteht die Hülse aus Glas bzw. aus Saphir.According to one embodiment of the invention, the sleeve is made of silicon and contains a silicone oil. One can for example also use tetrachlorethylene if the stick is made of doped neodymium glass or glycerine if the stick is used is a ruby. In both of these cases, the sleeve is made of glass or sapphire.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigenFurther details, advantages and features of the invention emerge from the following description. In the drawing the invention is illustrated by way of example, namely show

009865/1781 ..5.009865/1781 ..5.

Fig. 1 ganz allgemein einen erfindungsgemäß mit einer HülseFig. 1 shows in general one according to the invention with a sleeve

ausgerüsteten Laserstab,
Fig, 2 eine erste Ausführungsform des zugeschliffenen Endesequipped laser rod,
2 shows a first embodiment of the ground end

des Stabes, und
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des zugeschliffenen Endes eines Stabes.of the staff, and
3 shows a second embodiment of the ground end of a rod.

Fig. 1 zeigt einen Stablaser 1, der koaxial von einer schraubenförmigen Blitzlampe 2 umgeben ist und ein in Form eines Kegels geschliffenes Ende aufweist. Dieses Ende ist von einer zylindrischen Hülse 3 umgeben, die aus Silicium besteht und ein Silikonöl 4 enthält.Fig. 1 shows a rod laser 1, the coaxially from a helical flash lamp 2 is surrounded and has a ground in the form of a cone end. This end is of a cylindrical shape Surrounding sleeve 3, which consists of silicon and contains a silicone oil 4.

Die vom Stablaser emittierte Energie ist praktisch in einem Hingkranz am Umfang des Stabes konzentriert. Will man am Ausgang einen Leistungsfluß gleichmäßiger Verteilung erhalten, so muß ein Aufbau gewählt werden, durch den die Wirkung des Abnehmens der Besetzungszahlen des höheren Energieniveaus im Fall der Besetzungszahlinversion bei Annäherung an die Achse kompensiert wird. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung besteht darin, daß man die für die Strahlenerzeugung zur Verfügung stehende Länge L des Stabes in Abhängigkeit des Abstandes r von der Achse so abnehmen läßt, daß man eine Hegelwirkung auf den Verstärkungsfaktor erzielt. Die Funktion L(r)^ die einen gleich-The energy emitted by the rod laser is practically concentrated in a ring around the circumference of the rod. Do you want to If the output receives a power flow of even distribution, a structure must be chosen by which the effect of the decrease is obtained of the occupation numbers of the higher energy level in the case of the occupation number inversion when approaching the axis is compensated will. The solution proposed according to the invention consists in that one which is available for the generation of radiation The length L of the rod can be reduced as a function of the distance r from the axis in such a way that one has a Hegel effect on the gain factor achieved. The function L (r) ^ the one equal-

009885/1781009885/1781

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mäßigen Energiefluß ergibt, der dem zum Bruch führenden Fluß gleich ist, ist gegeben durch die Gleichung:results in a moderate flow of energy, which is equal to the flow leading to the break, is given by the equation:

_fe^a - 1 _f e ^a - 1

worin a =where a =

und h*jr die Energie eines Photons bei der Laser£requenz*J ist.and h * jr is the energy of a photon at the laser frequency * J.

Will man nicht einen gleichmäßigen Energiefluß erzielen, sondern die Gleichmäßigkeit für die maximale Leistung erzielen, so wird, da für die maximale Leistungsverstärkung gilt:If you don't want to achieve an even flow of energy, but rather the uniformity for maximum performance, so, since the following applies to the maximum power gain:

_Gp - e _Gp - e

die Gesetzmäßigkeit L(r) zu:the law L (r) to:

Uv) = Uv) =

Loglog

Aus dieser Gleichung folgt, daß die Form des Endes des Stablasers von einer gewissen Anzahl von Parametern abhängt. Es sind das:From this equation it follows that the shape of the end of the rod laser depends on a certain number of parameters. They are:

1. Der Wirkungsquerschnitt des aktiven Mediums bei der Wellenlänge des Lasers (Wirkungsquerschnitt der Verstärkung).1. The cross-section of the active medium in the Wavelength of the laser (effective cross-section of the amplification).

009885/1781009885/1781

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2. Die Gesetzmäßigkeit, durch die die Änderung der Inversions besetzungszahlen nach dem Pumpen in eine Funktion des Abstandes von der Achse umgewandelt werden.2. The law by which the change in the inversion occupation numbers after pumping is a function of the distance can be converted from the axis.

3. Der zu Bruch des aktiven Mediums führende Fluß. .3. The flow leading to breakage of the active medium. .

4. Die Emissionsfrequenz des Lasers.4. The emission frequency of the laser.

5. Die Gesetzmäßigkeit der Verteilung des Photonenstroms am Eingang des Stabes.5. The regularity of the distribution of the photon stream at the entrance of the rod.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung unter Berücksichtigung dieses Verfahrens. Es soll ein gleich-Fig. 2 shows a first embodiment of the invention below Consideration of this procedure. It should be an equal

2
mäßiger Energiefluß 30 J/cm am Ausgang des Glasstabes erhalten werden, der einen Radius H von 2 cm aufweist und mit 5# Neodym gedopt ist, bei dem bei Inversion der Besetzungszahlen die Besetzungsdichte sich von 5*10 Ionen/cm im Mittelpunkt linear2
moderate energy flux 30 J / cm can be obtained at the exit of the glass rod, which has a radius H of 2 cm and is doped with 5 # neodymium, in which the population density is linear from 5 * 10 ions / cm in the center with inversion of the occupation numbers

19 3
bis auf 10 Ionen/cm für r = R ändert. Der Photonenfluß19 3
changes up to 10 ions / cm for r = R. The flow of photons

amat the

Eingang sei gleichmäßig, der Verstärkungsfaktor betrage 2 und der Wirkungsquerschnitt ^ der Verstärkung sei 1,87 '10 cm . Man erhält in diesem Fall für die Gesetzmäßigkeit L(r):The input is uniform, the amplification factor is 2 and the effective cross-section ^ of the amplification is 1.87-10 cm. In this case one obtains for the law L (r):

Man erhält so für den Stab die auf Fig. 2 gezeigte Endausbildung.The final configuration shown in FIG. 2 is thus obtained for the rod.

Das gilt insbesondere für den Fall, wo man einen einzigen Verstärkerstab großen Durchmessers verwendet.This is especially true in the case where a single large diameter reinforcing rod is used.

009885/1781 -8-009885/1781 -8-

Fig. 3 zeigt in einer zweiten Ausführungsform einen Stab aus gleichem Material, der eine gleichmäßige Inversion der Besetzungszahlen von 10 Ionen/cm aufweist und einen Photonenstrom empfängt, dessen Verteilung durch folgende Gleichung gegeben ist:3 shows a rod in a second embodiment made of the same material, which has a uniform inversion of the occupation numbers of 10 ions / cm and a flow of photons whose distribution is given by the following equation:

η μ - «ι ₀ β^r/li η μ - «ι ₀ β ^{r / li}

Will man unter diesen Bedingungen einen maximalen Leistungsfluß gleichmäßiger Ausgangsverteilung und im Mittelpunkt einen Verstärkungsfaktor von 10 erhalten, so nimmt die Gesetzmäßigkeit L(r) die Form an;If you want a maximum power flow with even output distribution and in the center under these conditions receive a gain factor of 10, the law L (r) takes the form;

L(r) - 5,35 (2,3 - r/H)L (r) - 5.35 (2.3 - r / H)

Unter der Annahme, daß der Radius K des Stabes 2 cm beträgt, wird er die in Fig. 3 gezeigte Form annehmen. Sein Ende ist also konisch ausgebildet. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn es sich um einen Stab geringen Durchmessers handelt, dem ein Fluß zugeführt wird, dessen radiale Verteilung durch die vorhergehenden Stäbe beeinflußt wurde. Die angegebenen beiden Ausführungsformen betreffen selbstverständlich nur Fälle von beschränkter Bedeutung.Assuming that the radius K of the rod is 2 cm, it will take the form shown in FIG. So its end is conical. Such a training is in particular then expedient when it is a small diameter rod to which a flow is fed, its radial Distribution was influenced by the previous bars. The specified two embodiments relate, of course, to only cases of limited importance.

Werden die Enden von Stablasern nach der vorteilhaftenWill the ends of rod lasers after the advantageous

erfindungsgemäßen Weise zugeschnitten, so werden gegebenenfallstailored way according to the invention, so if necessary

009885/1781009885/1781

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zusätzliche Vorkehrungen notwendig, um eine ebene Ausgangsfläche mit dem gewünschten Einfallswinkel zu erhalten. Die Enden werden deshalb mit einer zylindrischen Hülse umgeben, die beispielsweise aus Silicium besteht und ein Silikonöl enthält, das den gleichen Brechungsquotienten wie der Stab hat und· für die Wellenlänge der Laserstrahlung durchsichtig ist. Das Öl muß außerdem im Spektrum des sichtbaren Lichtes durchsichtig sein, damit auch die Teile des aktiven Mediums gepumpt werden können, die von ihm abgedeckt sind. Es kann auch Tetrachloräthylen verwendet werden, wobei man dann für die Hülse nichtgedoptes Glas benützt. Ist der Stablaser ein Rubin, so verwendet man Glyzerin und als Hülle Saphir. Die Verwendung einer ölgefüllten Hülse ist der Verwendung einer ganz aus nichtgedoptem Glas bestehenden Hülse vorzuziehen, da auf diese Weise keine Verbindungsprobleme auftreten.additional precautions are necessary in order to obtain a flat starting surface with the desired angle of incidence. The ends are therefore surrounded by a cylindrical sleeve made of silicon, for example, and containing a silicone oil that has the same refraction quotient as the rod and is transparent to the wavelength of the laser radiation. The oil must also be transparent in the spectrum of visible light so that the parts of the active medium that are covered by it can also be pumped. Tetrachlorethylene can also be used, in which case non-doped glass is used for the sleeve. If the rod laser is ruby, glycerine is used and sapphire is used as the sheath. The use of an oil-filled sleeve is preferable to the use of a sleeve made entirely of non-doped glass, since this way there are no connection problems.

Eine verminderte optische Pumpung im Mittelpunkt des Stabes im Verhältnis zu seinen Umfangsbereichen tritt vor allem bei Stäben großen Durchmessers auf, wie sie sich am Ende einer Verstärkungskette finden. Man wird deshalb im allgemeinen nur ■ diesen letzten und gelegentlich den vorletzten Stab nach der Erfindung zuschleifen. Dabei berücksichtigt man gleichseitig die Schwankungen in der Besetzungsinversion im Stab und die Schwankungen im Photonenstrom längs radialer Koordinaten auf grand der in der Kette vorhergehenden Stäbe, Reduced optical pumping in the center of the rod in relation to its peripheral areas occurs above all in rods of large diameter, such as those found at the end of a reinforcement chain. You will therefore generally only grind this last and occasionally the penultimate rod according to the invention. The fluctuations in the population inversion in the rod and the fluctuations in the photon flow along radial coordinates on grand of the rods preceding in the chain are taken into account at the same time,

009885/1781 -^1ü"009885/1781 - ^1ü "

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Claims (6)

Patentansprüche :Patent claims: 1. Stablaser für Verstärkerketten, dadurch gekennzeichnet, daß der Stablaser an seinem Ende im Querschnitt derart durch eine Kurve begrenzt ist, daß der von zur Achse des Stabes parallelen Lichtstrahlen im aktiven Glas zurückge legte Weg in seiner Länge von der Achse des Stabes zu seinem Umfang hin abnimmt.1. Rod laser for amplifier chains, characterized in that the rod laser at its end in cross section is limited by a curve in such a way that the light rays parallel to the axis of the rod in the active glass are withdrawn put way decreasing in length from the axis of the rod towards its circumference. 2. Stablaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve durch folgende Gleichung bestimmt ist:2. Rod laser according to claim 1, characterized in that the curve is determined by the following equation: ¹ - gz^T ( ^{Los 1} - gz ^ T ( ^lot L die Länge des von einem zur Achse des Stabes parallelen . Lichtstrahl im aktiven Glas zurückgelegten Weges, r der Abstand dieses Strahles von der Achse des Stabes, δ der Wirkungsquerschnitt der aktiven Masse für die Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung, Δ₀(τ) der Ausdruck für die Abhängigkeit der Besetzungsdichte bei Besetzungeinversion von r,
J der zum Bruch des Glases führende Fluß, die Frequena der vom Laser emittierten Strahlung, undL is the length of the one parallel to the axis of the rod. Light beam traveled in the active glass, r the distance of this beam from the axis of the rod, δ the cross section of the active mass for the wavelength of the radiation emitted by the laser, Δ ₀ (τ) the expression for the dependence of the population density with population inversion of r,
J is the flux leading to breakage of the glass, the frequency of the radiation emitted by the laser, and 009885/1781 ~¹¹~009885/1781 ~ ¹¹ ~ BADBATH /fj die Verteilung des Photonenstroms am Eingang des Stabes ist.. / fj is the distribution of the photon flux at the entrance of the rod .. 3. Stablaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zugeschnittene Ende von einer zylindrischen Hülse umgeben ist, die durch eine zur Achse des Stabes senkrechte ebene Fläche abgeschlossen ist, und daß der zwischen der Hülse, der ebenen Fläche und dem Ende des Stabes eingeschlossene Raum mit einer Substanz gefüllt 1st, dip für die Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung und für die Wellenlängen des Lichtes für das optische Pumpen durchlässig ist.3. Rod laser according to claim 2, characterized in that that the cut end is surrounded by a cylindrical sleeve which is defined by a plane perpendicular to the axis of the rod Surface is closed, and that the space enclosed between the sleeve, the flat surface and the end of the rod with of a substance filled 1st, dip for the wavelength of the dated Laser emitted radiation and is permeable to the wavelengths of light for optical pumping. 4. Stablaser nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus Silicium besteht und der innerhalb der Hülse gebildete freie Raum mit einem Silikonöl gefüllt ist, das den gleichen Brechungsquotienten hat wie der Stab,4. Rod laser according to claim 3 »characterized in that the sleeve consists of silicon and the inside of the sleeve The free space formed is filled with a silicone oil that absorbs the has the same refraction quotient as the rod, 5. Stablaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus Glas besteht und mit Tetrachloräthylen gefüllt ist.5. Rod laser according to claim 3, characterized in that the sleeve is made of glass and filled with tetrachlorethylene is. 6. Stablaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet» daß die Hülse aus Saphir besteht und mit Glyzerin gefüllt ist.6. Rod laser according to claim 3, characterized in that » that the case is made of sapphire and filled with glycerine. 009885/1781
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