DE1811549A1 - Molekularverstaerker zur Erzeugung von Riesenimpulsen - Google Patents

Molekularverstaerker zur Erzeugung von Riesenimpulsen

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    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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Description

  • 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.
  • Bei Molekularverstärkern beruht die Verstärkung der elektromagnetischen bzvr. lichtelektrisehen Leistung auf'der Ausnutzung von Absorptions- und Emissionsvorgängen in der Materie.
  • Eine besondere Ausführungsform eines optischen Molekularverstärkers ist der sogenannte Riesenimpuls-Laser.
  • 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.
  • 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.
  • Der Impuls kann fast die gesamte gespeicherte Energ entladen.
  • 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.
  • 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.
  • Die Spiegel des Resonators haben beide höchste Reflexion.
  • 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.
  • 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.
  • Eine weitere I.ösung, die Impulsdauer eines Riesenimpulses zu verkürzen, ist in Hauptpatent angegeben.
  • 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.
  • 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.
  • Da die Anstiegsflanke des Impulses der emittierten Strahlung von dieser Größe abhängig ist, kann dadurch eine wesentliche Impulsversteilerung und -verkürzung erreicht @erden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1 Figur 4 Patentansprüche

Claims (4)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Molekularverstärker für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen, 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 Patent . ... ... (P 15 14 548.9), dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelvorrichtung für das Signallicht aus dem Hauptresonator aus einer-Polarisationsweiche (9), vorzugsweise ein Nicolsches Prisma, und einem Polarisationsdreher (10), vorzugsweise eine Kelrzelle, besteht, die in der optischen Achse des Hauptrcsonators gemeinsam mit dem stimulierbaren Medium hintereinander angeordnet sind.
  2. 2. Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hauptresonator bildenden beiden Spiegel (6, 7) für die Strahlung der von dem Hilfsmolekularverstärker erzeugten Frequenz durchlässig und für die Strahlung der von dem Hauptresonator erzeugten Frequenz undurchlässig ausgebildet sind.
  3. 3. Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Hauptmolekularverstärker benachbarte Spiegel (4) des Resonators (Hilfsresonator) des Hilfsmolekularverstärkers fur die von diesem erzeugte Strahlung teilweise durchlässig ausgebildet ist
  4. 4. Molekularverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus dem Hilfs- und dem Hauptmolekularverstärker bestehenden Einrichtung in der, beiden Molekularverstärkern gemeinsamen optischen Achse, ein op-toelektronischer Wandler (11) nachgeschaltet ist, dessen elektrischer Ausgang mit dem Steuereingang einer Steuereinrichtung (12) für den Polarisationsdreher (10) verbunden ist.
    L e e r s e i t e
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