DE1811549C3 - Optical transmitter (laser) for generating giant pulses - 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 SchalterThe invention relates to an optical transmitter operating on the principle of stimulated emission for coherent radiation (laser) to generate very short light pulses of high power (giant pulse laser), with a rod-shaped stimulable medium to which the excitation light required for operation is in Direction of the rod axis from an optical auxiliary transmitter working on the principle of stimulated emission for coherent radiation, whose stimulable medium consists of a rod-shaped dielectric solid is formed, is delivered in the form of very short light pulses of high power, a optical switch for optionally interrupting and opening the beam path of the excitation light as well as with a decoupling device for the generated giant pulses, in which a first optical resonator (Main resonator) the former, from a rod-shaped, also a dielectric solid formed stimulable medium and a second optical Resonator (auxiliary resonator) the second-mentioned, formed by a rod-shaped dielectric solid stimulable medium as well as the optical switch

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.optional interruption and opening of the beam path of the excitation light, and in which the main resonator is limited by dielectric mirrors of which the first dielectric mirror in the beam direction of the excitation light is only for the excitation light is permeable.

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.Lasers of this type excited by means of lasers as an auxiliary source are specified in the main patent and by the Journal of Appl. Phys, Vol. 37, No. 5, 1966, pages 2004 to 2006, known.

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.The shape of the giant pulses generated by such a laser arrangement has an exponential increase to to the maximum emission and a subsequent exponential drop. Using the The giant pulses generated by the auxiliary transmitter to excite the main transmitter can be a very steep Bring the rising edge of the giant pulse on the output side generated by the main transmitter. The trailing edge is relatively flat, however, as the one in the main resonator reflected back and forth between its mirrors Radiation opposes a steep fall in the trailing edge corresponding to the leading edge.

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.For generating giant pulses of very short duration on the order of a few nanoseconds by means of lasers, which are excited with incoherent light, it is through the literature reference »Theory of Laser Regeneration Switching ", by Arthur A. Vuylsteke in Journal of Applied Physics, Vol.34, No.6, June 1963, Pages 1615 to 1622, known to both steepen Provide an externally controlled switch on the leading and trailing edges of a giant pulse. Thereafter, with the help of a Kerr cell representing the controllable switch in connection with a Nicoischen prism switched the resonator quality for emission of a pulse twice. The mirrors of the Resonators both have the highest reflection. The polarization switch blocks during the excitation pulse the resonator. After reaching the maximum inversion, a control pulse on the Kerr cell opens the Resonator and the giant impulse rises steeply. At its peak, the voltage across the Kerr cell is switched off again, and the radiation in the resonator is removed from the polarization switch Resonator reflected out. The implementation of such an arrangement requires a very high level of control Effort because the Kerr cell has a control voltage of the order of 20 to 30 kV required and it is extremely difficult, a well-defined control voltage pulse of this order of magnitude with a duration of a few nanoseconds at most.

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 normalerBy bundling the coherent excitation light onto a small cross section of the stimulable light Medium c'es main resonator, it is possible to generate an inversion density in this, as with normal

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 -Verkürzungf> 5 incoherent light source cannot be achieved. You the rising edge of the pulse of the emitted radiation depends on this size, can thereby a substantial increase and decrease in momentum

erreicht werden.can be achieved.

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 ermöglichtThe invention is based on the object of a giant pulse laser according to the main patent Provide solution that with relatively little additional effort, an additional reduction in the pulse duration made possible by shortening the pulse trailing edge

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.Starting from an optical transmitter according to the main patent, this object is achieved according to the invention solved by using a main resonator with a laterally deflectable output radiation a polarization switch in connection with a polarization rotator, but in such a way that both the Main resonator delimiting mirror for dis radiation with the frequency generated by the auxiliary transmitter permeable and are designed to be impermeable to radiation at the frequency generated by the main transmitter, and that the outer mirror of the main resonator is followed by an optoelectronic converter, its electrical output connected to the control input of a control device for the polarization rotator is.

Vorteilhaft ist es, wenn der dem Hauptsender benachbarte Spiegel des Hilfsiesonators des Hilfssenders lediglich für die von diesem erzeugte Strahlung teildurchlässig ausgebildet ist.It is advantageous if the mirror adjacent to the main transmitter is the auxiliary transmitter of the auxiliary transmitter is only partially transparent to the radiation generated by this.

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.The invention is based on the knowledge that the controllable polarization rotator not only with one Impulse which is unsafe to handle and has an extremely short duration and a very high peak voltage of the order of magnitude can be controlled by 30 kV, but also with a voltage jump that is much easier to implement. To get the shortest possible output pulse received, it occurs when using a giant pulse laser excited by means of an auxiliary giant pulse laser namely only on the trailing edge of the giant pulse generated in the main laser and not too tax on its leading edge.

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.In itself it is through the Journ reference. Appl. Phys., Vol. 38, No. 6, May 1967, pages 2693 to 2695 already known for the generation of very short Giant pulses in a resonator one behind the other a passive absorber, a stimulable medium, to arrange a polarizer and a Kerr cell. The control signal receives the control device for the Kerr cell due to radiation reflected at the polarizer when the passive absorber is saturated In the course of the coherent radiation excited by inversion of the energy levels of the stimulable medium. This known arrangement does not allow excitation by means of an auxiliary giant pulse laser in the Meaning an extremely fast inversion of the energy levels of the stimulable medium with a large translation, as it is important for the generation of giant impulses of the shortest duration. Also here is the Expenditure for the control device of the Kerrz ^ lle, which to switch a square wave voltage pulse from 35 kV required, extremely high.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawing and is in described in more detail below.

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.The arrangement consists of the optical auxiliary transmitter with a flash lamp 1, eirsem not detailed mirror system shown for focusing the light from the flash lamp onto the stimulable medium 2, a fully reflective mirror 3 and a partially transparent mirror 4, which together have a limit optical resonator, and a Q-switch 5. Behind the optical auxiliary transmitter is the Main transmitter arranged so that both transmitters have the same optical axis. The main resonator of the The main transmitter is limited by the mirrors that fully reflect the radiation generated in it 6 and 7. Inside the main resonator is the stimulable medium 8, a polarization switch 9, z. B. a Nicoisches prism, and a polarization rotator 10, z. B. a Kerr cell, arranged one behind the other. Outside the main resonator, also in the optical axis common to both transmitters, is a optoelectronic converter 1, e.g. B. a photocell with a control device 12 for controlling the Polarization rotator 10 is electrically connected.

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. In the form of giant pulses from the partially transparent mirror 4 of the auxiliary optical transmitter outgoing energy has a very steep rising edge. On the other hand, its trailing edge runs as a result of the running time of the quanta is relatively flat when there are several reflections between mirrors 3 and 4. The mirror 6 am The stimulable medium 8 of the optical main transmitter is for the electromagnetic wave of the auxiliary resonator of the auxiliary transmitter completely permeable. The stimulable medium 8 is now when the waves pass through inverted. Since the main optical transmitter lacks an absorption switch, the stimulated emission occurs Radiation immediately after reaching the threshold value required for emission with a very steep one Rising edge, namely as linearly polarized, the polarization switch 9 penetrating undisturbed monochromatic Radiation. The polarization rotator 10 is controlled at the time of the oscillation so that the LS the plane of oscillation of the light penetrating it is not rotated. The radiation already determined is thus reflected back and forth on the mirrors 6 and 7. At the time of maximum excitation in the main resonator receives the polarization rotator 10 at its control electrodes from the control generator connected to it 12 shows a steep jump in voltage. This ensures that all radiation after a single Passing through the polarization rotator 10 on the polarization switch 9 with a rotated by 90 ° Oscillation level arrives and is decoupled from the main resonator. In contrast to decoupling at partially transparent mirrors the radiation is strongly increased due to its intensity and temporally shortened pulse delivered. The control generator 12 is from an optoelectronic converter 11 to Output of the voltage jump excited. The optoelectronic converter, in turn, is directly from the Radiation of the optical auxiliary transmitter controlled in that this radiation to a small extent after Passage through the main resonator on the optoelectronic converter 11 is incident.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 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.1. Optical transmitters for coherent radiation working according to the principle of stimulated emission (Laser) for generating very short light pulses of high power (giant pulse laser), with a rod-shaped stimulable medium to which the excitation light required for operation is directed the rod axis from an optical auxiliary transmitter working on the principle of stimulated emission for coherent radiation, whose stimulable medium consists of a rod-shaped dielectric Solid body is delivered in the form of very short light pulses of high power, a optical switch for optionally interrupting and opening the beam path of the excitation light as well as with a decoupling device for the generated giant pulses, in which a first optical resonator (main resonator) the former, from a rod-shaped, also dielectric Solid-state stimulable medium and a second optical resonator (auxiliary resonator) the latter, formed by a rod-shaped dielectric solid, can be stimulated Medium as well as the optical switch for optionally interrupting and opening the beam path of the excitation light, and in which the main resonator is limited by dielectric mirrors is, of which the first dielectric mirror in the beam direction of the excitation light is only for the excitation light is permeable, according to main patent 15 14 548, characterized by the Use of a main resonator (6, 7) with laterally deflectable output radiation with the help a polarization switch (9) in connection with a polarization rotator (10), but such that both mirrors (6, 7) delimiting the main resonator for the radiation from the auxiliary transmitter (2 to 5) generated frequency permeable and for the radiation with the frequency generated by the main transmitter are impermeable, and that the outer mirror (7) of the main resonator is an optoelectronic Converter (11) is connected downstream, the electrical output of which is connected to the control input of a Control device (12) for the polarization rotator (10) is connected. 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.2. Optical transmitter according to claim 1, characterized in that the one adjacent to the main transmitter Mirror (4) of the auxiliary transmitter's auxiliary resonator only for those generated by the auxiliary transmitter Radiation is partially transparent.