DE1811549C3 - Optischer Sender (Laser) zur Erzeugung von Riesenimpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitenden optischen Sender für kohärente Strahlung (Laser) zur Erzeugung sehr kurzer Lichtimpulse hoher Leistung (Riesenimpulslaser), mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium, dem das für den Betrieb erforderliche Anregungslicht in Richtung der Stabachse von einem nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitenden optischen Hilfssender für kohärente Strahlung, dessen stimulierbares Medium von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper gebildet ist, in Form von sehr kurzen Lichtimpulsen hoher Leistung geliefert wird, einem optischen Schalter zum wahlweisen Unterbrechen und Öffnen des Strahlenganges des Anregungslichts sowie mit einer Auskoppelvorrichtung für die erzeugten Riesenimpulse, bei dem ein erster optischer Resonator (Hauptresonator) das erstgenannte, von einem stabförmigen, ebenfalls dielektrischen Festkörper gebildete stimuiierbare Medium und ein zweiter optischer Resonator (Hilfsresonator) das zweitgenannte, von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper gebildete stimuiierbare Medium sowie den optischen Schalter

zum wahl weisen Unterbrechen und öffnen des Strahlengangs des Anregungslichts enthält, und bei dem der Hauptresonator durch dielektrische Spiegel begrenzt ist, von denen der in Strahlrichtung des Anregungslichts erste dielektrische Spiegel nur für das Anregungslicht durchlässig ist.

Mittels Lasern als Hilfslichiquelle angeregte Laser dieser Art sind im Hauptpatent angegeben und durch die Literaturstelle Journal of Appl. Phys, Vol. 37, Nr. 5, 1966, Seiten 2004 bis 2006, bekannt.

Die Form der erzeugten Riesenimpulse einer solchen Laseranordnung weist einen exponentiellen Anstieg bis zur maximalen Emission und einen sich daran anschließenden exponentiellen Abfall auf. Mittels der vom Hilfssender zur Anregung des Hauptsenders erzeugten Riesenimpulse läßt sich eine sehr steile Anstiegsflanke des vom Hauptsender erzeugten ausgangsseitigen Riesenimpulses herbeiführen. Die Rückflanke ist jedoch relativ flach, da die im Hauptresonator zwischen dessen Spiegeln hin und her reflektierte Strahlung einem der Vorderflanke entsprechend steilen Abfall der Rückflanke entgegensteht.

Zum Erzeugen von Riesenimpulsen sehr kurzer Dauer in der Größenordnung einiger Nanosekunden mittels Lasern, die mit inkohärentem Licht angeregt werden, ist es durch die Literaturstelle »Theory of Laser Regeneration Switching«, von Arthur A. Vuylsteke in Journal of Applied Physics, Vol.34, No.6, Juni 1963, Seiten 1615 bis 1622, bekannt, zur Versteilerung sowohl der Vorder- als auch der Rückflanke eines Riesenimpulses einen fremdgesteuerten Schalter vorzusehen. Hiernach wird mit Hilfe einer, den steuerbaren Schalter darstellenden Kerrzelle in Verbindung mit einem Nicoischen Prisma die Resonatorgüte zur Emission eines Impulses zweimal umgeschaltet. Die Spiegel des Resonators haben beide höchste Reflexion. Der Polarisationsschalter sperrt während des Anregungsimpulses den Resonator. Nach Erreichen der maximalen Inversion öffnet ein Steuerimpuls an der Kerrzelle den Resonator und der Riesenimpuls steigt steil an. Bei seiner Spitzenleistung wird die Spannung an der Kerrzelle wieder abgeschaltet, und die Strahlung im Resonator wird an der Polarisationsweiche aus dem Resonator herausreflektiert. Die Realisierung einer solchen Anordnung bedingt einen sehr hohen steuertechnischen Aufwand, weil die Kerrzelle eine Steuerspannung in der Größenordnung von 20 bis 30 kV benötigt und es außerordentlich schwierig ist, einen genau definierten Steuerspannungsimpuls dieser Größenordnung mit einer Dauer von höchstens einigen Nanosekunden zu erzeugen.

Durch die Bündelung des kohärenten Anregungslichtes auf einen kleinen Querschnitt des stimulierbaren Mediums c'es Hauptresonators ist es möglich, in diesem eine Inversionsdichte zu erzeugen, wie sie mit normaler

f>5 inkohärenter Lichtquelle nicht erreicht werden kann. Du die Anstiegsflanke des Impulses der emittierten Strahlung von dieser Größe abhängig ist, kann dadurch eine wesentliche Impulsversteilerung und -Verkürzung

erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Riesenimpuls-Laser nach dem Hauptpatent eine weitere Lösung anzugeben, die bei relativ geringem Mehraufwand eine zusätzliche Herabsetzung der Impulsdauer durch Verkürzen der Impulsrückflanke ermöglicht

Ausgehend von einem optischen Sender nach dem Hauptpatent wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines Hauptresonators mit seitlich auslenkbarer Ausgangsstrahlung mit Hilfe einer Polarisationsweiche in Verbindung mit einem Polarisationsdreher, jedoch derart daß beide den Haupresonator begrenzenden Spiegel für dis Strahlung mit der vom Hilfssender erzeugten Frequenz durchlässig und für die Strahlung mit der vom Hauptsender erzeugten Frequenz undurchlässig ausgebildet sind, und daß dem äußeren Spiegel des Hauptresonators ein optoelektronischer Wandler nachgeschaltet ist, dessen elektrischer Ausgang mit dem Steuereingang einer Steuereinrichtung für den Polarisationsdrehcr verbunden ist.

Vorteilhaft ist es, wenn der dem Hauptsender benachbarte Spiegel des Hilfsiesonators des Hilfssenders lediglich für die von diesem erzeugte Strahlung teildurchlässig ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der steuerbare Polarisationsdreher nicht nur mit einem unsicher zu handhabenden Impuls extrem kurzer Dauer und sehr hoher Spitzenspannung in der Größenordnung von 30 kV gesteuert werden kann, sondern auch mit einem wesentlich leichter zu realisierenden Spannungssprung. Um einen möglichst kurzen Ausgangsimpuls zu erhalten, kommt es bei Anwendung eines mittels eines Hilfs-Riesenimpulslasers angeregten Riesenimpulslasers nämlich nur noch darauf an, die Rückflanke des im Hauptlaser erzeugten Riesenimpulses und nicht auch noch zusätzlich dessen Vorderflanke zu versteuern.

An sich ist es durch die Literaturstelle Journ. Appl. Phys., Vol. 38, Nr. 6, Mai 1967, Seiten 2693 bis 2695 bereits bekannt, zur Erzeugung von sehr kurzen Riesenimpulsen in einem Resonator hintereinander einen passiven Absorber, ein stimulierbares Medium, einen Polarisator und eine Kerrzelle anzuordnen. Das Steuersignal erhält die Steuereinrichtung für die Kerrzelle durch am Polarisator reflektierte Strahlung bei eintretender Sättigung des passiven Absorbers im Zuge der durch Inversion der Energieniveaus des stimulierbaren Mediums angeregten kohärenten Strahlung. Diese bekannte Anordnung ermöglicht keine Anregung mittels eines Hilfs-Riesenimpulslasers im Sinne einer extrem schnellen Inversion der Energieniveaus des stimulierbaren Mediums mit großer Übersetzung, wie sie für die Erzeugung von Riesenimpulsen kürzester Dauer wichtig ist. Außerdem ist auch hier der Aufwand für die Steuereinrichtung der Kerrz^lle, die zum Umschalten einen Rechteckspannungsimpuls von 35 kV benötigt, außerordentlich hoch.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Anordnung besteht aus dem optischen Hilfssender mit einer Blitzlampe 1, eirsem nicht näher dargestellten Spiegelsystem zur Bündelung des Lichts aus der Blitzlampe auf das stimulierbare Medium 2, einem vollständig reflektierenden Spiegel 3 und einem teildurchlässigen Spiegel 4, die gemeinsam einen optischen Resonator begrenzen, und einem Güteschalter 5. Hinter dem optischen Hilfssender ist der Hauptsender so angeordnet, daß beide Sender die gleiche optische Achse haben. Der Hauptresonator des Hauptsenders wird begrenzt von den für die in ihm erzeugte Strahlung vollständig reflektierenden Spiegeln 6 und 7. Innerhalb des Hauptresonators ist das stimulierbare Medium 8, eine Polarisationsweiche 9, z. B. ein Nicoisches Prisma, und ein Polarisationsdreher 10, z. B. eine Kerrzelle, hintereinander angeordnet. Außerhalb des Hauptresonators, ebenfalls in der beiden Sendern gemeinsamen optischen Achse, liegt ein optoelektronischer Wandlerl 1, z. B. eine Photozelle, der mit einer Steuereinrichtung 12 zur Steuerung des Polarisationsdrehers 10 elektrisch verbunden ist.

Die in Gestalt von Riesenimpulsen aus dem teildurchlässigen Spiegel 4 des optischen Hilfssenders austretende Energie hat eine sehr steile Anstiegsflanke. Ihre Rückflanke verläuft dagegen infolge der Laufzeit der Quanten bei mehreren Reflexionen zwischen den Spiegeln 3 und 4 relativ flach. Der Spiegel 6 am stimulierbaren Medium 8 des optischen Hauptsenders ist für die elektromagnetische Welle des Hilfsresonators des Hilfssenders völlig durchlässig. Das stimulierbare Medium 8 wird nun beim Durchgang der Wellen invertiert. Da dem optischen Hauptsender ein Absorptionsschalter fehlt, tritt die stimulierte Emission der Strahlung sofort nach Erreichen des zur Emission benötigten Schwellenwerts mit einer sehr steilen Anstiegsflanke auf, und zwar als linear polarisierte, die Polarisationsweiche 9 ungestört durchsetzende monochromatische Strahlung. Der Polarisationsdreher 10 ist zum Zeitpunkt des Anschwingens so gesteuert, daLS die Schwingungsebene des ihn durchsetzenden Lichtes nicht gedreht wird. Die bereits ermittierte Strahlung wird also an den Spiegeln 6 und 7 hin und her reflektiert. Im Zeitpunkt maximaler Anregung im Hauptresonator erhält der Polarisationsdreher 10 an seinen Steuerelektroden von dem an ihn angeschlossenen Steuergenerator 12 einen steilen Spannungssprung. Dadurch wird erreicht, daß sämtliche Strahlung nach einmaligem Durchlaufen des Polarisationsdrehers 10 an der Polarisationsweiche 9 mit einer um 90° gedrehten Schwingungsebene ankommmt und aus dem Hauptresonator ausgekoppelt wird. Im Gegensatz zur Auskopplung an teildurchlässigen Spiegeln wird die Strahlung in einem 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 optischen Hilfssenders dadurch gesteuert, daß diese Strahlung zu einem geringen Teil nach Durchgang durch den Hauptresonator auf den optoelektronischen Wandler 11 einfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitender optischer Sender für kohärente Strahlung (Laser) zur Erzeugung sehr kurzer Lichtimpulse hoher Leistung (Riesenimpulslaser), mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium, dem das für den Betrieb erforderliche Anregungslicht in Richtung der Stabachse von einem nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitenden optischen Hilfssender für kohärente Strahlung, dessen stimulierbares Medium von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper gebildet ist, in Form von sehr kurzen Lichtimpulsen hoher Leistung geliefert wird, einem optischen Schalter zum wahlweisen Unterbrechen und öffnen des Strahlenganges des Anregungslichts sowie mit einer Auskoppelvorrichtung für die erzeugten Riesenimpulse, bei dem ein erster optischer Resonator (Hauptresonator) das erstgenannte, von einem stabförmigen, ebenfalls dielektrischen Festkörper gebildete stimulierbare Medium und ein zweiter optischer Resonator (Hilfsresonator) das zweitgenannte, von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper gebildete stimulierbare Medium sowie den optischen Schalter zum wahlweisen Unterbrechen und öffnen des Strahlenganges des Anregungslichts enthält, und bei dem der Hauptresonator durch dielektrische Spiegel begrenzt ist, von denen der in Strahlrichtung des Anregungslichtes erste dielektrische Spiegel nur für das Anregungslicht durchlässig ist, nach Hauptpatent 15 14 548, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Hauptresonators (6, 7) mit seitlich auslenkbarer Ausgangsstrahlung mit Hilfe einer Polarisationsweiche (9) in Verbindung mit einem Polarisationsdreher (10), jedoch derart, daß beide den Hauptresonator begrenzenden Spiegel (6, 7) für die Strahlung mit der vom Hilfssender (2 bis 5) erzeugten Frequenz durchlässig und für die Strahlung mit der vom Hauptsender erzeugten Frequenz undurchlässig ausgebildet sind, und daß dem äußeren Spiegel (7) des Hauptresonators ein optoelektronischer Wandler (11) nachgeschaltet ist, dessen elektrischer Ausgang mit dem Steuereingang einer Steuereinrichtung (12) für den Polarisationsdreher (10) verbunden ist.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Hauptsender benachbarte Spiegel (4) des Hilfsresonators des Hilfssenders lediglich für die vom Hilfssender erzeugte Strahlung teildurchlässig ausgebildet ist.