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Molekularverstärker zur Erzeugung von Riesenimpulsen Zusatz zu Patent
. ... ... (Anm. :P 15 14 548.9 -PA 65/2765) Die Erfindung betrifft einen Molekularverstärker
(Laser) für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene ellen zur Erzeugung von
Riesenimpulsen extren kurzer Dauer.
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Bei Molekularverstärkern beruht die Verstärkung der elektromagnetischen
bzvr. lichtelektrisehen Leistung auf'der Ausnutzung von Absorptions- und Emissionsvorgängen
in der Materie.
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Eine besondere Ausführungsform eines optischen Molekularverstärkers
ist der sogenannte Riesenimpuls-Laser.
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Fr erzeugt, wie sein Name schon andeutet, kurze Einzelimpulse hoher
Leistung. Im Aufbau unterscheidet er sich von einen üblichen Laser dadurch, daß
sich im Resonator außer dem stimulierbaren Medium ein in seiner Lichtdurchlässigkeit
steuerbarer Schalter, ein sogenannter "Güteschalter" befindet. Der Güteschalter
steuert in Abhängigkeit seines Schaltzustandes die Güte des optischen Resonators,
und zwar ist diese bei geschlossenem Güteschalter (Transmission) gleich der Güte
des optischen Resonators, die im allgemeinen sehr groß ist.
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Die Resonatorgüte testir.mt unmittelbar die Schrrellinversion des
aktiven Materials, d.h. den Inversionsgrad der durch Einstrahlung der Energie der
Pumplichtquelle in aktiven Itaterial gerade erreicht werden muß, um eine induzierte
Strahlung in Richtung der optischen
Achse erzeugen zu können. Somit
Kann bei Geschlossenem Güteschalter in aktiven Material eine hohe Überbesetzung
der Inversion über die Schwellinversion der Anordnung' bei geöffneten Güteschalter
herbeigefübrt nerden, ohne daß eine induzierte Emission auftritt, Wird nun bei einer
derartigen Überbesetzung der Inversion der Güteschalter geöffnet, dann, schwingt
der Laser an und gibt dabei einen kurzen Impuls hoher Spitzenleistung ab.
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Der Impuls kann fast die gesamte gespeicherte Energ entladen.
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Die Impulsform eines Riesenimpulses einer solchen Resonatoranordnung
setzt sich prinzipiell zusammen aus einem exponentiellen Anstieg bis zur maximalen
Emission und einem sich daran anschließenden exponentiellen Abfall. Die DieSteiiheit
der Impulsflanken ist im wesentlichen abhängig von der maximalen Inversion des stimulierbaren
Mediums und den geometrischen Abmessungen des Molekularverstärkers.
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Zum Erzeugen von Riesenimpulsen sehr kurzer Dauer in der Größenordnung
einiger Nanosekunden ist es durch die Literaturstelle "Theory of Laser Regeneration
Switching" von Arthur A. Vuylsteke in Journal of Applied Physics, Vol.34, No.6,
Seiten 1615-1622 bekannt, zur Versteilerung sowohl der Vorder- als auch der Rückflanke
eines Riesenimpulses einen frendgesteuerten Schalter vorzusehen. Hiernach wird mit
Hilfe einer, den steuerbaren Schalter darstellenden Kerrzelle in Verbindung mit
einem Nicolschen Prisma die Resonator güte zur Emission eines Impulses zweimal umgeschaltet.
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Die Spiegel des Resonators haben beide höchste Reflexion.
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Der Polarisationsschalter sperrt während des Pumpimpulses den Resona-tor.
Nach Erreichen der maximalen Inversion öffnet ein Steuerimpuls an der Kerrzelle
den
Resonator und der Riesenimpuis steigt stcil an.
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Bei seiner Spitzenleistung wird die spannung an der Kerrselle wieder
abgeschaltet, und die Strahlung im Resonator wird an der Polarisationsveiche aus
dem Resonator herausreflektiert. Die Realisierung einer solchen Anordnung bedingt
einen sehr hohen steuertechnischen Aufwend, weil die Kerrzelle eine Steuerspannung
in der Größenordnung von 20 bis 30 kV benötigt und eF außerordentlich schwierig
ist, einen genau definIerten Steuerspannungsimpuls dieser Größenordnung mit einer
Dauer von höchstens einigen Nanosekunden zu erzeugen.
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Eine weitere I.ösung, die Impulsdauer eines Riesenimpulses zu verkürzen,
ist in Hauptpatent angegeben.
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Sie beruht im wesentlichen auf einer Versteilerung der Anstiegsflanke,
dadurch, daß das stimulierbare Medium des Optischen Resonators (Hauptresonator)
mit Licht gepumpt wird welches in einem zweiten optischen Resonator (Hilfsresonator)
eines Hilfsmolekularverstärkers erzeugt wird.
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Durch die Bündelung des kohärenten Pumplichtes auf einen kleinen @uerschnitt
des stimulierbaren Mediums des Hauptresonators ist es möglich, in diesem eine Inversionsdichte
zu erzeugen, wie sie mit normaler inkohärenter Lichtquelle nicht erreicht werden
kann.
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Da die Anstiegsflanke des Impulses der emittierten Strahlung von dieser
Größe abhängig ist, kann dadurch eine wesentliche Impulsversteilerung und -verkürzung
erreicht @erden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Rieseninpuls-Laser
nach den Hauptpatent eine weitere
Lösung anzugeben, die bei relativ
geringem Mehraufwand eine zusätzliche Herabsetzung der Impulsdauer ermöglicht Ausgehend
von eine Molekularverstärker für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene ellen,
bestehend aus einem optischen Resonator (Hauptresonator) mit einem für die Molekularverstärkung
stimulierbaren Medium, einer Auskoppelvorrichtung für das Signallicht; und einer
zur Erzeugung kurzer Lichtimpulse hoher Leistung (Riesenimpulse) aus einem Hilfsmolekularverstärker
bestehenden Pumplichtquelle in der optischen Achse des Hauptmaterials. Nach dem
Hauptpatent wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auskoppelvorrichtung
für das Signallicht aus dem Hauptresonator aus einer Polarisationsweiche, vorzugsweise
einem Nicolschen Prisma und einen Polarisationsdreher, vorzugsweise einer Kerrzelle,
besteht, die in der optisehen Achse des Hauptresonators gemeinsam mit dem stimulierbaren
Medium hintereinander angeordnet sind.
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Die an sich bekannte Anordnung zur Impulsverkürzung von Riesenimpulsen
aus optischen Resonatoren unter Verwendung eines steuerbaren Polarisationsdrehers
und einer Polarisationsweiche in Verbindung i;t der Anordnung des Hauptpatents,
wo zum Pumpen des Hauptresonators ein zweiter Hilfsolekularverstärker Verwendung
findet, bietet den Vorteil, daß der steuerbare Polarisationadreher nicht mit einem
unsicher zu handhabenden Impuls extrem kurzer Dauer und Spitzenspannung in der Giüßenordnung
von 30 kV zu steuern ist. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Polarisationsdreher
lediglich mit einen wesentlich leichter zu realisierenden Stannungsaprung gesteuert,
da es hier, um einen r.ö, lichst kurzen Ausgangsimpuls zu erhalten, nur nocn
darauf
ankommt, die Rückflanke des Riesenimpulses und nicht auch noch zusützlich die Vorderflanke
zu versteilern.
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Um einerseits einen möglichst hohen Quantemlirkungsgrad zum Pumpen
des Hauptresonators und andererseits eine hohe Güte desselben zu erreichen, ist
es viesentlich, daß die dcn Hauptresonator bildenden beiden Spiegel für die Strahlung
der von dem Hilfsmolekularverstärker erzeugten Frequenz durchlässig und für die
Strahlung der von dem Hauptmolekularverstärker erzeugten Frequenz undurchlässig
ausgebildet sind.
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Eine einfache Möglichkeit der Auskopplung des Pumplichtes zur Speisung
des Hauptmolekularverstärkers besteht darin, daß der dem Hauptresonator benachbarte
Spiegel des Resonators (Hilfsresonator) des Hilfsmolekularverstürkers für die von
diesem erzeugte Strahlung teilsweise durchlässig ausgebildet ist.
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Zur Steuerung des Polarisationsdrehers ist es vorteilhaft, daß der
Reihenschaltung aus dem Hilfs- und dem Hauptmolekularverstärker bestehenden Einrichtung
in der, beiden Molekularverstärkern gemeinsamen optischen Achse ein optoelektronischer
wandler nachgeschaltet ist, dessen elektrischer Ausgang mit dem Steuereingang einer
Steuereinrichtung für den Polarisationsdreher verbunden ist.
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Bin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Die Anordnung besteht aus dem Hilfsmolckularverstärker mit einer Blitzlampe
1, einem nicht näher dargestellten
Spiegelsystem zur Bündelung des
Lichts aus der Blitzlampe auf das stimulierbare Medium 2, einem totalreflektierenden
Spiegel 3, einem teildurchlässigen Spiegel 4, die gemeinsam einen optischen Resonator
bilden und einen Güteschalter 5. Hinter dem Hilfsinolekularver-" stärker ist der
eigentliche Molekularverstärker (Hauptmolekularverstärker) so angeordnet, daß beide
Molekularverstärker die gleiche optische Achse haben. Der Hauptresonator besteht
aus den für die in ihm erzeugte Strahlung total reflektierenden Spiegeln 6 und 7.
Innerhalb des Hauptresonators ist das stimulierbare Medium 8, eine Polarisationsweiche
9, z.B. ein Nicolsches Prisma, und ein Polarisationsdreher 10, z.B. eine Kerrzelle,
hintereinander angeordnet. Außerhalb des Hauptresonators, ebenfalls in der beiden
tlolekularvcrstärkern gemeinsamen optischen Achse, liegt ein optoelektronischer
Wandler 11, z.B. eine Fotozelle, der mit einer Steuereinrichtung 12 zur Steuerung
des Polarisationsdrehers 10 elektrisch verbunden ist.
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Die in Gestalt von Riesenimpulsen aus dem teildurchlässigen Spiegel
4 des Hilfsmolekularverstärkers austretende Energie hat eine sehr steile Anstieg'sflanke.
Ihre Rückflanke verlauft dagegen infolge der Laufzeit der Quatten bei mehreren Reflexionen
zwischen den Spiegeln 5 und 4 relativ flach, Der Spiegel 6 am stimulierbaren Medium
8 des Hauptmolekularverstärkers ist für die elektromagnetische Welle des Hilfsre-sonators
völlig durchlässig.
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Das stimulierbare medium 8 wird nun beim Durchgang der Welle invertiert.
Da dem Hauptmolekularverstärker ein Absorptionsschalter fehlt, tritt die stimulierte
Emission der Strahlung sofort nach Erreichen des zur Emission benötigten Schwellwerts
mit einer sehr steilen Anstiegs flanke auf, und zwar als linear polarisierte, die
Polarisationsweiche 9 ungestört durchsetzende monochromatische
Strahlung.
Der Polarisationsdreher 10 ist zum Zeitpunkt des Anschvringens so gesteuert, daß
die Schwingungsebene des ihn durchsetzenden Lichtes nicht gedreht wird. Die bereits
cnittierte Strahlung wird also an. den Spiegeln 6 und 7 hin und her reflektiert.
Im Zeitpunkt maximaler Quantenzahl im Hauptresonator erhält der Polarisationsdreher
10 an scinen Steuerelektroden von den an ihn angeschlossenen Steuergenerator 12
einen stcilen Spannungssprung. Dadurch wird erreicht, daß sämtliche Strahlung nach
einmaligem Durchlaufen des Polarisationsdrehers 10 an der Polarisationsvzeiche 9
mit einer um 90° gedrehten Schwingungsebene ankommt und aus dem Hauptresonator ausgekoppelt
wird. Im Gegensatz zur auskopplung an teildurchlässigen Spiegeln wird die Strahlung
in einen durch seine Intensität stark erhöhten und zeitlich verkürzten Impuls abgegeben.
Der Steuergenerator 12 wird von einem optoelektronischen Wandler 11 zur Abgabe des
Spannungssprungs angeregt.
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Der optoelektronische Wandler ist seinerseits direkt von der Strahlung
des Hilfsmolekularverstärkers dadurch gesteuert, daß diese Strahlung zu einen gerinen
Teil nach Durchgang durch den Hauptresonator auf den optoelektronischen Wandler
11 einfällt.
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1 Figur 4 Patentansprüche