DE2012226A1

DE2012226A1 - Optischer parametrischer Oszillator

Info

Publication number: DE2012226A1
Application number: DE19702012226
Authority: DE
Inventors: Arthur Rumson; Bjorkholm John Ernst Middletown; N.J. Ashkin (V.St.A.). H05b
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-03-20
Filing date: 1970-03-14
Publication date: 1970-10-01
Also published as: FR2035101A2; FR2035101B2; GB1265680A; BE747488R; US3628186A

Description

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WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated Ashkin-Bjorkholm 29-4 New York, N. Y., 10007, VStA

Optischer parametrischer Oszillator

Die Erfindung betrifft einen optischen parametrischen Oszillator mit einem Körper aus optisch nichtlinearem Material., einer Einrichtung zum Zuführen von Pump strahlung zu dem Körper, um Signal- und Idler-Strahlungen unterschiedlicher Frequenzen hierin zu erzeugen und einer frequenzselektiven Einrichtung, die an dem Körper angeordnet ist, um die Idler-Strahlung in Resonanz zu bringen, wobei diese frequenzselektive Einrichtung Mittel (dielektrische Beschichtungen oder eine Absorptionsvorrichtung) zum nichtresonanten Auskoppeln praktisch der ganzen Signalstrahlung aufweist.

Der Ausdruck "optisch" im Zusammenhang mit dem optischen parametrischen Oszillator bezieht sich hier auf Strahlungen, ™

deren Wellenlängen wesentlich kleiner sind als die Längen des Kristalls, der den verteilten, nichtlinearen Festkörper-Effekt aufweist. Es handelt sich, mit anderen Worten, um phasenangepaßte, parametrische Laufwellenvorrichtungen, deren Wellenlängen effektiv vom ultravioletten bis zum fernen infraroten

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und kurzwelligen Mikrowellenbereich reichen können. Im Folgenden wird ein solcher in derartigen Vorrichtungen verwendeter Kristall einfach als nichtlinearer Kristall bezeichnet.

Das große Interesse für den Erhalt eines Schwingungsschwellwertes ergibt sich aus der technischen Iiieratur über optische parametrische Oszillatoren. Als Beispiel zu erwähnen ist hier der Aufsatz "Theory of Parametric Oscillator Threshold with Single-Mode Optical Masers and Observation of Amplification in LiNbO "von G. D. Boyd und A. Ashkin, veröffentlicht in "The Physical Review", 146, 187, (3. Juni, 1966). Dieses Interesse ist nahezu auf natürliche Weise entstanden, weil ein optischer parametrischer Schwingungsschwellwert schwierig zu erreichen war, speziell im Dauer strichbetrieb.

Ein Ergebnis der Anstrengung zum Erhalt des Schwellwerts ist, daß eine gleichzeitige Resonanz von Signal und Idler in einer optischen parametrischen Vorrichtung nicht nur als wünschenswert, sondern auch als notwendige Bedingung für parametrische Schwingungen angesehen worden ist.

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■■ ?^:::■.;■■ :. 3 :.■■ .ν ■..'■" " ; Leider erfordert für einen Oszillator, bei dem sowohl Signal als auch Idler resonant sind, die kontinuierliche Abstimmung der Signalfrequenz, daß mindestens drei Oszillator-Parameter exakt verändert werden, wie dieses in dem vorstehenden Artikel erläutert ist. In der Praxis ist es jedoch außerordentlich schwierig, solche detaillierte Einstellungen zu machen,. und nur eine ' Variable, z.B. Krist^lldrehung oder Temperatur, wird typischerweise zum Erhalt eines quasi kontinuierlichen Abstimmvorganges verwendet. Für einen Oszillator, bei dem Signal und | Idler resonant sind, gibt es Abstimmdiskontinuitäten, die Lücken aufweisen, die bis zu viele Male breiter als der Axialschwingungsformabstand des Oszillators ist. Siehe hierzu auch "Optical Parametric Oscillation in LiNbO " von J. A. Giord-

maine und R. C. Miller, veröffentlicht in "Physics of Quantum Electronic^", herausgegeben von P. L. Kelley, B.. Lax und F. E. Tannenwald (McGraw-Hill, N, Y. 1966), Seite 31.

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Ein anderes, sehr kennzeichnendes Problem, das im Zusammenhang mit bekannten parametrischen Oszillatoren steht, sind die ieistungsabhängigen Reflektionen der Pumpstrahlung, die auch mit "induzierten Reflektionen" bezeichnet werden. Siehe hierzu

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den Aufsatz "Nonlinear Optical Effects: An Optical Power Limiter" von A. E. Siegman, veröffentlicht in "Applied Optics", 6, 739 (1962). Diese Reflektion tritt auf, weil in den bekannten Oszillatoren sowohl das Signal als auch der Idler in einem einzigen Hohlraumresonator resonant gemacht werden, um die Schwingungsschwelle herabzusetzen (es handelt sich hier um einen Doppelresonanz-Oszillator oder DRO). Da jedoch Signal und Idler phasenangepaßt sind und gleichzeitig von den Resonatorspiegeln reflektiert werden, vermischen sich das rückwärtslaufende Signal und die Idler-Wellen, um eine rückwärtslaufende Pumpwelle zu erzeugen, die einer Pumpstrahlungsreflektion äquivalent ist. Es wird angenommen, daß die Reflektion insofern leistungsabhängig ist, als die Leistung der rückwärts laufenden Pumpstrahlung so ansteigt, wie die einfallende Pumpleistung ansteigt. Dieses ist jedoch aus mindestens zwei Gründen nachteilig: erstens wird hierdurch eine unerwünschte Reaktion des parametrischen Oszillators ziuöick auf die Pumpleistungsquelle verursacht, die die Verwendung eines Isolators notwendig macht, und zweitens wird hierdurch nur ein sehr geringer Gesamtwirkungsgrad erzielt.

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Der Wirkungsgrad eines parametrischen Doppelresonanz-Oszillators (DRO) mit leistungs abhängigen Reflektionen kann am besten im Zusammenhang mit der Leistungsbegrenzung verstanden werden, die inhärent im Betrag der vom Oszillator übertragenen Pumpleistung verstanden werden kann. Genauer gesagt, ist es bekannt, daß ohne Berücksichtigung der Eingangs pumpleistung oberhalb der Schwelle/ die vom Oszillator übertragene Pumpleistung begrenzt ist oder in der Höhe des Leistungspegels der Schwelle festgehalten wird. Die restliche Eingangsleistung wird teilweise in Signal und Idler und teilweise in die vorerwähnte rückwärtslaufende Pumpwelle, was sehr nachteilig ist, umgewandelt. Der theoretische Maximalwirkungsgrad eines DRO mit leistungsabhängigen Reflektionen beträgt 5.0% und wird erzielt, wenn die Eingangspumpleistung des Vierfache des Schwellwertes ist. Ein stärkeres Pumpen reduziert nur den Wirkungsgrad , weil die leistungs abhängige Reflektion stärker zunimmt, wenn P/P, (das Verhältnis von Eingangspumpleistung zu Schwellwertleistung) erhöht wird, als sich Signal- und Idler-Leistung erhöht.

Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, insbesondere die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.

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Für einen optischen parametrischen Oszillator mit einem Körper aus optisch nichtlinearem Material, einer Einrichtung zum Zuführen von Pumpstrahlung zu dem Körper, um Signal- und Idler-Strahlungen unterschiedlicher Frequenz hierin zu erzeugen und einer frequenz selektiven Einrichtung, die an dem Körper angeordnet ist, um die Idler-Strahlung in Resonanz zu bringen, wobei die frequenzselektive Einrichtung Mittel zum nichtresonanten Auskuppeln praktisch der gesamten Signalstrahlung aufweist, besteht die Erfindung darin, daß das Verhältnis der Pumpstrahlungsleistung zur Schwellwertleistung

des nichtlinearen Materials etwa mit (IT/2) gewählt ist.

Es hat sich gezeigt, daß es möglich ist, optische parametrische Schwingungen auch mit einem nichtresonanten Signal zu erzielen. Die Vorteile von Schwingungen mit einem nichtresonanten Signal bestehen in einer besseren Abstimmbarke it, einem erhöhten Wirkungsgrad und dem Fehlen von Rückwirkungen des Oszillators auf die Pumpleistungsquelle.

Natürlich sollte es sieh verstehen,, daß in einem parametrischen Oszillator zwei Strahlungen erzeugt werden und daß die eine als Signal und die andere als Idler bezeichnet werden können.

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Im Folgenden soll sich die nichtresonant erzeugte Strahlung auf das Signal beziehen, obgleich dieses in einigen Fällen den bekannten Konventionen widerspricht , die sich auf die Bezeichnung der beiden erzeugten Strahlungen beziehen. Es sei ferner vermerkt, daß im Falle der Verwendung einer Pumpe für Vielfach-Schwingungsformen das nichtresonante Signal in einer entsprechenden Anzahl von Schwingungsformen erzeugt wird, während der resonante Idler nur in einer einzigen Schwingungsform erzeugt wird.

Um speziell ein nichtresonantes Signal und einen resonanten Idler zu erzeugen, wird mindestens der Idler-Reflektor, der am weitesten von der Pumpquelle entfernt ist, so ausgelegt, daß er das Signal im wesentlichen vollständig überträgt, oder er ist anderen Mitteln zugeordnet, die eine Signalstx'ahlung von dem Idler-Resonator entfernen.

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Da nur der Idler und nicht beide, Idler und Signal, im Oszillator Resonator resonant sind, findet keine Mischung statt, um eine rückwärtslaufende Pumpwelle zu erzeugen. Daher sind leistungsabhängige Reflektionen praktisch eliminiert, sodaß auch die Begrenzungswirkung der bekannten Vorrichtungen

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nicht mehr vorliegt, d.h. daß die von dem Oszillator übertragene Pumpleistung nicht mehr auf die Schwellwertleistung begrenzt ist. Daraus ergeben sich mehrere vorteilhafte Eigenschaften. Erstens beseitigt die Eliminierung von leistungsabhängigen Reflektionen jede Rückwirkung des Oszillators auf die Pump strahlungsquelle. Zweitens ist die Umwandlung der Pumpstrahlung des Oszillators in Signal- und Idler-Strahlung effektiver. Tatsächlich erscheint der thea'etische Wirkungsgrad von 100% bei endlichen Leistungspegeln. Genau gesagt erscheint er, wenn P/P annähernd

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gleich (-π/2) ist. Diese Eigenschaft wird bei den bekannten DROs mit leistungsabhängigen Reflektionen nicht erreicht.

Es sollte noch vermerkt werden, daß die leistungsabhängigen Reflektionen nicht nur in einem Einzelresonanz-Oszillator (SRO), wie im Falle tier vorliegenden Erfindung, sondern auch bei einem Ring-DRO beseitigt werden können, bei dem Signal und Idler sich nicht unter phasenangepaßten Bedingungen in Rückwärtsrichtung durch den nichtlinearen Kristall ausbreiten können.

ι η 9 η u π /1 91 6

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Im Folgenden wird die. Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teils bildliche und teils blockschaltungsmäßige Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, das besonders für Dauerstrichschwingungsbetrieb geeignet ist; j

Fig, 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 für die Erzeugung von Ausgangsimpulsen; ,

Fig, 3 eine Oszillatorausführung, bei der der nichtlineare Kristall außerhalb des Pumplaser-Resonators. angeordnet ist und

Fig. 4 einige Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des optischen parametrischen Oszillators _ % gemäß der Erfindung.

Der parametrische Oszillator nach Fig. 1 eignet sich insbesondere zum Erhalt abstimmbarer parametrischer Schwingungen mit einem nichtresonanten Signal unter Verwendung einer im

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Dauerstrichbetrieb arbeitenden Pumpe. Der nichtlineare Kristall 11, der beispielsweise Bariumnatriumniobat (Ba NaNb O₁ _) sein möge, liegt innerhalb des Resonators

Δ OxO

des Pumplasers 12, der bei etwa 5.000 A arbeitet. Die Schwingungen werden von der Pumpstrahlung erzeugt, die beispielsweise die kontinuierliche Strahlung eines Argonionenlasers 12 sein könnte. Der Laser-Resonator, der bezüglich des parametrischen Oszillators der Pumpresonator ist, wird durch einen Spiegel 15 gebildet, der in der Nähe oder am entfernteren Ende des nichtlinearen Kristalls 11 bezüglich des stimulierbaren Lasermediums 12 angeordnet ist, sowie durch den schwingungsform-selektiven Prisma-Resonator 20, der gegenüber dem Spiegel 15 so angeordnet ist, daß die gemeinsame Achse durch das stimulierbare Medium im Behälter 13 verläuft.

Um eine Schwingungsform-Auswahl unter den verschiedenen Axialschwingungsformen zu ermöglichen, die mit dem Argon-Laser erhältlich sind, ist ein kleiner Hilfsresonator 20 vorgesehen, der durch Spiegel 16 und 17 auf orthogonalen Flächen eines Prismas 18 gebildet ist. Das Prisma 18 kann geschmolzener Quarz (Quarzglas) sein, in welchem Falle die geneigte

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Oberfläche 19 eine partielle innere Reflektion im Prisma 18, zur Vervollständigung des Hilfsresonators 20, erzeugen wird .

Der Idler-Resonator für den parametrischen Oszillator wird von dem Reflektor 21 , der nahe oder am Ende des Kristalls gegenüber dem Reflektor 15 angeordnet ist, und von dem axial verschiebbaren Reflektor 22 gebildet. Der Reflektor 22 ist auf einem ringförmigen piezoelektrischen Element 23 angebracht,

das von einer Feinabstimmungsquelle 24 zur Änderung der axialen Lage des Reflektors 22 gesteuert wird.

Die Reflektoren 1 5, 21 und 22 sind Vielfach-Dielektrikum-Spiegel, die so ausgelegt sind, daß sie spezielle Reflektionseigenschaften besitzen. Der Reflektor 15 ist für die Pumpstrahlung hochreflektierend und für die Signal- und Idler-Strahlung hochdurchlässig. Der Reflektor 21 ist für die Pumpstrahlung

und für die Signalstrahlung hochdurchlässig, während er für i

die Idlez*-Strahlung hochreflektierend ist. Der Spiegel 22 dagegen ist für die Signalstrahlung hochdurchlässig und für die Idler-Strahlung hochreflektierend.

Der Kristall 11 ist in einer Tempera tursteuereinrichtung 26

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_BAD

montiert, die dafür ausgelegt ist, die Temperatur des Kristalls 11 steuerbar zu ändern, um eine Grobabstimmung des Oszillator-Phasenanpaß-Zustandes und dadurch Idler- und Signalfrequenzen zu erzeugen, deren Summe gleich der Pumpfrequenz sein muß. Da diese Temperaturabstimmung die optische Weglänge der Pumpstrahlung ändern wird, ist ein Pumpweglängenkompensator 27, beispielsweise ein elektrooptischer Modulator zur Verwendung bei etwa 5.000 A, im Pumpstrahlengang mit der z-A.clise parallel zur Laser-Achse ausgerichtet angeordnet und wird über geeignete Elektroden von der Justierspannungswelle 2\\ angesteuert, um die Pumpweglänge konstant zu halten, wenn sich die Temperatur in der Apparatur 26 ändert. Die Pumpbestrahlung kann in den Kristall 11 mit Hilfe einer geeigneten Linse 29 fokussiert werden oder auch nicht.

Für die Ausführungsform nach Fig. 1 können verschiedene Reflektionseigenschaften für die Spiegel 15, 21 und 22 verwendet werden. Die Signalstrahlung, die aus dem Kristall U nach rechts verläuft, kann vom Pumpresonator an jeder geeigneten Stelle entnommen werden oder kann absorbiert werden. Beispielsweise könnte der Spiegel 17 für das Signal durchlässig geni.'M.-ht worden. Die beiden entgegengesetzt

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laufenden Signalstrahlungen können durch einen geeigneten Strahlkombinierer kombiniert werden, wenn die Signalstrahlung verwendet werden soll. In all diesen Fällen können die Spiegel 15, 21 und 22 die gleichen bleiben.

Um Abstimmbarkeit über ein breites Band zu erhalten, werden die Idler-Spiegel 21 und 22 für Wellenlängen von 1, 0 Mikrometer sowie wesentlich längeren Wellenlängen hochreflektierend _ gemacht und für Wellenlängen von 0,49 bis 0, 99 Mikrometer hochdurchlässig, falls die Pumpwellenlänge 0, 5 Mikrometer beträgt. Der Spiegel 15 wird für eine scharfe Spitze bei 0, 5 Mikrometer, beispielsweise von 0, 49 bis 0, 51 Mikrometer, reflektierend gemacht.

Beim Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 1 wird der pumpende Argönionen-Laser beispielsweise so betrieben,

daß er Strahlung bei 0, 5 Mikrometer in einer einzigen Longi- ^

tudinalschwingungsform kontinuierlich emittiert, wie letztere durch den Prismaresonator 20 ausgewählt wird. In der Praxis kann die genaue Identität dieser Schwingungsform durch ein Rückkopplungssystem sichergestellt werden, das sein Signal von einem Frequenzvergleichskreis 31 ableitet und den Pump-

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resonator abstimmt, beispielsweise durch Modifizieren der dem Kompensator 27 zugeführten Spannung. Alternativ kann eine manuelle Einstellung ansprechend auf den Vergleichskreis 31 gemacht werden.

Der BaNaNbOs-Kristall 11 ist beispielsweise mit seiner optischen Achse senkrecht zur gemeinsamen Achse der Resonatoren in Fig. 1 orientiert, um eine Phasenanpassung der Pump-Signal- und Idler-Strahlung ohne Doppelbrechung zu erzeugen. Aber nichtsdestoweniger braucht diese Orientierung nicht verwendet zu werden. Eine Grobabstimmung der Signalfrequenz wird durch Ändern der Temperatur innerhalb der Apparatur

26 erreicht und die Feinabstimmung durch Ändern der Spannung, die die Quelle 24 zum piezoelektrischen Element 23 zur Verschiebung des Spiegels 22 liefert. Soweit die Temperatur die Pumpweglänge im Kristall 11 ändert, wird die Spannung der Quelle manuell eingestellt, um den entgegengesetzten Änderungszuwachs in der Pumpweglänge im elektrooptischen Kompensationselement

27 zu erzeugen. Es wird deshalb eine wesentliche Normalvorspannung für das Element 27 verwendet.

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Alternativ könnte die Grobabstimmung auch durch Drehung des Kristalls 11 erreicht werden.

Selbst bei fehlender Feinabstimmung des Idler-Spiegels 22 werden die Gesamtabstimmungseigenschaften dieses ausschließlich auf Temperaturänderungen beruhenden parametrischen Oszillators viel besser gesteuert werden als bei den früheren

doppeltresonanten Oszillatoren, die bei der Abstimmungsbreite <5

Lücken aufweisen, wie dieseBVovstehend beschrieben wird. Die Lücken werden kleiner als der halbe Axialschwingungsform-Abstand des Oszillators sein.

Selbst diese Lücken können durch Feinabstimmung eliminiert werden. Es sind daher nur zwei variable Parameter für kontinuierliche Abstimmung erforderlich, im Gegensatz zu den drei

erforderlichen variablen -Parametern, wenn Signal und Idler Λ

gleichzeitig resonant sind.

In den Fällen, in welchen die Feinabstimmung nicht verwendet wird, kann man das schwingu-ngsform-selektive Prisma weglassen und den Oszillator mit einer vielfrequenten (in vielen Schwingungsformen schwingenden) Pumpquelle pumpen.

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wird erreicht durch Ersetzen des schwingungsselektiven Prismas 20 in Fig. 1 durch einen einfachen Spiegel bei der Pumpwellenlänge. Mehrfache Signalfrequenzen werden akkommodiert, da kein Signalresonator vorhanden ist.

Der wichtigste Gesichtspunkt der Ausführungsform nach

m Fig. 1 ist der, daß die Signalstrahlung im von den Spiegeln

21 und 22 gebildeten Oszillatorhohlraum nicht resonant ist, weil die Spiegel 15 und 22 für die Signalstrahlung nicht reflektierend sind. Daher gibt es, wie früher schon erläutert wurde, keine leistungsabhängigen Reflektionen und die Ausgangspumpleistung ist nicht auf die Schwellwertleistung begrenzt. Dieses bedeutet, daß tatsächlich eine 100%-ige Umsetzung der Pumpleistung in Signal- und Idler-Leistung ^ bei endlichen Leistungspegeln stattfindet. Dieser Punkt ist

in Fig. 4 durch die Kurve 72 quantitativ dargestellt.

Die Kurven zeigen den Wirkungsgrad, mit dem die Pumpleistung in die Signal- und Idler-Leistung als Funktion von P/P umgesetzt wird. P/P ist das Verhältnis der Eingang s-

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pumpleistung zur Schwellwertpumpleistung. Die Kurve 71 zeigt die entsprechende Beziehung für einen DRO (d.h. einen parametrischen Oszillator mit gleichzeitiger Signal- und Idler-Resonanz) mit leistungsabhängigen Reflektionen. Sie ist durch einen theoretischen Maxinaalwirkungsgrad von 50 % bei P/P₊

= 4. 00 gekennzeichnet. Im Gegensatz hierzu zeigt die Kurve 72, daß der SRO der vorliegenden Erfindung einen theoretischen Maximalwirkungsgrad von 100% bei niedrigen Eingangsleistungs-

2 pegeln erzielt, d.h. bei P/P = (-jj/2) = 2,46. Bei einer SRO-Ausführungsform, wie der von Fig. 3, die unten beschrieben wurde, hat sich gezeigt, daß P/P, = 2,46 leicht erhalten werden

kann. ■""■·"■

Bei der modifizierten Ausführungsform nach Fig. 2 sind die entsprechenden Komponenten mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Ausführungsform nach Fig. 2 unter- 'j| scheidet sich von der nach Fig. 1 dahingehend, daß sie für Mehrfach-Axialschwingungsform-Betrieb des pumpenden Lasers und für einen Schwingungsform-zwangsgekoppelten Betrieb des paramentrischen Oszillators ausgelegt ist. Die S chwingungs form-Zwang s kopplung erfolgt durch Dämpfungs-

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modulation des Idler-Resonators bei der Schwingungsformabstandsfrequenz des parametrischen Oszillators.

Der Modulator 42 könnte aus einem elektrooptischen Lithiumtantalatkristall 43 (LiTaO„) gebildet sein, der mit seiner optischen Achse parallel zur gemeinsamen Resonatorachse orientiert ist. Der Kristall wird von einer Spannungsquelle 44 bei der Schwingungsformabstandsfrequenz beispielsweise über die transparenten endständigen Elektroden 45 betrieben. Die Dämpfung wird wegen der Drehung der Ebene der Lichtpolarisation geändert und führt zu einer Dämpfungsänderung an den unter dem Brewster-Winkel geneigten Oberflächen.

Es ist ein Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 2, daß die Pumpleistungshöhe so hoch innerhalb des Kristalls 11 angehoben werden kann, daß die Bandbreite des parametrischen Oszillators viele Male größer als die Schwingungsbandbreite des Pumplasers ist. Für vernünftige Idler-Resonatorabmessungen kann die Schwingungsformabstandsfrequenz

-^- = 4 χ 10⁹ Hz = 4 GHz

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sein; aber nichtsdestoweniger werden viele zulässige axiale Idler-Schwingungsformen innerhalb der Schwihgungsbandbreite vorhanden sein. Um sicherzustellen, daß die homogene Sättigungskennlinie des Kristalls 11 nicht zu viele dieser Schwingungsformen abschnürt, kann man eine inhomogene sättigende Absorptions zelle 46 bekannter Bauart innerhalb des Idler-Resonators nahe dem Spiegel 22 montieren, z.B. eine

Zelle, die eine Eastman 9860 oder 9740 Q-Schalt-Lösung ent- ' |

hält, wenn die Idler-Wellenlänge 1, 06 Mikrometer beträgt. Inhomogene Sättigung ist die Eigenschaft eines Verstärkungsoder Absorptionsmediums, daß die Entleerung der Verstärkung (oder Absorption) bei einer Frequenz innerhalb der verfügbaren Bandbreite nicht dazu neigt, die Verstärkung (oder Absorption) bei allen Frequenzen innerhalb der verfügbaren Verstärkungsoder Absorptionsbandbreite zu entleeren. Der sättigbare Farbstoff wird auch zu einer Impulsschärfung führen. Beachte, daß die Zelle 46 außerhalb des Pumpresönators angeordnet ist, so daß sie das Pumpen nicht beeinträchtigt.

In jedem Fall erzeugt, wenn einmal eine Mehrzahl axialer Idler-Schwingungsförmen zum Schwingen angeregt worden sind, der schwingungsformzwangskoppelnde Modulator 42 eine

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Phasen- und Schwingungsformzwangskopplung derselben, welche die Ausgangsstrahlung dazu zwingt, in Impulsen bei der Idler-Schwingungsformabstandsfrequenz zu erscheinen, wobei die Impulsbreite in umgekehrter Beziehung zu der Anzahl schwingender axialer Idler-Schwingungsformen in Beziehung steht.

Ein optischer parametrischer Oszillator kann als ein homogenes Verstärkungsprofil aufweisend betrachtet werden. Dies bedeutet, daß im stetigen Betrieb ein von einer einfrequenten Pumpquelle gepumpter Oszillator dazu neigt, in einer einzigen axialen Schwingungsform des Oszillatorresonators zu schwingen. Eine Mehrfachschwingungsform-Pumpe kann zum Bestreiten dieser Tendenz benutzt werden, ebenso geeignete Mittel zum Fördern der Schwingungsformzwangskopplung der zahlreichen axialen Schwingungsformen, was einen Ausgang erzeugen würde, der aus einer Folge ultrakurzer Impulse bestehen würde. Zur Förderung der Schwingungsformzwangskopplung ist es möglich, einen Intraresonator-Modulator bei der c/2L-Frequenz des Oszillatorresonators einzubauen. Um das Pulsen weiter zu unterstützen, ist es wünschenswert, eine sättigbare Farbstoffzelle 46 im Idler-Resonator nahe dem Spiegel 22 vorzusehen.

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Deren Wirkungsweise kann wie folgt verstanden werden. Der Modulator zwingt den Oszillator über die Bandbreite des Modulators zu schwingen, wobei Impulse erzeugt werden, die etwa so lang sind wie der Kehrwert dieser Bandbreite. Jedoch erreichten elektronische Schaltungen die phantastisch große Bandbreite und ultrakurze Impulse, die gewünscht sind, nicht. Sie können nur auf dem Wege dazu helfen. Um die Impulse kürzer zu machen, wird die Farbstoff zelle 46 als ein Impulsschärfungsmechanismus verwendet. Alternativ kann der Farbstoff als ein Modulator betrachtet werden, der eine exzeptionell große Bandbreite besitzt. Daher wird der Farbstoff in der gleichen Weise verwendet,wie Farbstoffe zur Erzeugung einer Schwingungsformzwangskopplungbei Nd-Glas und Rubin-Lasern verwendet werden. Der Modulator wird einfach dazu verwendet, um sicherzustellen, daß die gewünschte Schwingungsformzwangskopplung stattfindet.

Im Gegensatz hierzu ist ein parametrischer Oszillator, bei dem sowohl Signal als auch Idler resonant sind, kein guter Kandidat zum Erzeugen eines Betriebs mit Schwingungsformzwangskopplung. Der Grund dafür ist der, daß die effektive Verstärkungskurve für einen solchen Oszillator nicht eine glatte^ sich

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langsam ändernde Kurve ist. Stattdessen sind Ansammlungen axialer Schwingungsformen vorhanden, die um viele axiale Schwingungsformen voneinander im Abstand liegen, für welche eine hohe Verstärkung vorhanden ist. Die Möglichkeit, einen Oszillator mit derart komplizierten Verstärkungszuständen (wegen der komplizierten Resonanz) zu einer Phasenzwangskopplung zu bringen, ist nicht bekannt. Für einen Oszillator fet mit einem nichtresonanten Signal, wie z. B. der Oszillator

nach Fig. 2, treten solche Komplikationen nicht auf.

Es sollte sich verstehen, daß andere Aus führung s formen der Erfindung möglich sind. Beispielsweise sind erfolgreiche Versuche durchgeführt worden, bei welchen der nichtlineare Kristall außerhalb des pumpenden Laser-Resonators angeordnet und mit Spiegeln versehen war, die dafür ausgelegt waren, den Idler in Resonanz zu bringen und das Signal ohne Reflektion durchzulassen. Bei einem solchen Versuch wurden ein nichtlinearer LiNbO -Kristall und eine gepulste Einzelschwingungsform-Rubinlas er-Pumpquelle (0, 6943 Mikrometer) benutzt. Parametrische Schwingungen bei einer zugeführten Pumpleistung von 630 Kilowatt wurden leicht erhalten, und zwar bei einer

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Idler-Wellenlänge von 1, 04 Mikrometer und einer Signalwellenlänge von 2, 08 Mikrometer. -

Aus Gründen einfacher Versüchsbedingungen wurde die Idler-Leistung bei etwa 1,04 Mikrometer nach Auskopplung aus dem Oszillator über einen 98% reflektierenden Spiegel zu 41 Kilowatt gemessen* Von der nichtresohanten Signalleistung bei etwa

2, 08 Mikrometer kann angenommen werden, daß sie beträcht- &

lieh größer ist. Da die resonante Strahlung, die hier als Idler bezeichnet wird, gemessen wurde, mag es bequemer sein, in einem solchen Fall die Bezeichnung Signal und Idler zu vertauschen. ·-.'■"

Bei kleineren experimentellen Verbesserungen erhältman beträchtliche Verbesserungen des Ausgangs. Daher wurde für ein nichtresonantes Signal bei 1, 06 Mikrometer ein resonanter Idler bei 1, 99 Mikrometer und 900 Kilowatt Pumpleistung die ™

SignaUeisiung mit 250 Kilowatt gemessen, die einen Wirkungsgrad der Signalumwandlung von 28% darstellt. Natürlich wurde auch ein Teil der Pumpleistung in Idler-Leistung umgewandelt, sodaß der Gesamtwirkungsgrad sogar noch höher ist.

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Daher zeigt die Aus führung s form der Fig. 3, die den Experimenten zugrunde gelegt wurde, einen optischen parametrischen Oszillator 60, der ein nichtresonantes Signal verwendet. Der Oszillator 60 liegt außerhalb des Resonators des gepulsten Pump-Lasers 51. Der Pumplaser ist ein EinzellongitudinalundTransversalschwingungsform-Hochleistungsimpuls-Rubinlas er 51 mit Planspiegeln 53 und 54. Eine Einzelschwingungsform-Pumpe wird gewählt, weil hierdurch reproduzierbare Ergebnisse sichergestellt werden, während mit einer Mehrfachschwingungsform-Pumpquelle unregelmäßige Resultate erhalten werden könnten. Der Laser-Resonator ist durch den hochreflektierenden Planspiegel 53 und den teildurchlässigen (zu ungefähr 70 % durchlässigen) Spiegel 54 gebildet. Die Transversalschwingungsform-Steuerung wird erreicht durch Einführen einer 2mm-Bohrung in einer 1, 6mm dicken rostfreien Stahlplatte 55, und die Steuerung der Longitudinalschwingungsform und das Q-Umschalten wird bewirkt durch den Q-Schalter 56 mit ausbleichbarem Farbstoff (Kryptocyanin in Methanol), der zu diesem Zweck nahe dem stimulierbaren Lasermedium 52 angeordnet ist. Die Anregungslichtquelle 58 wird relativ zur Farbstoffkonzentration derart eingestellt, daß ein einzelner Q-geschalteter Impuls erhalten

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Der Resonator des parametrischen Oszillators wird durch Spiegel 62 und 63 gebildet, die für das Pumplicht hochdurchlässig und für den Idler hochreflektierend sind. Der Spiegel 63 ist für das Signal hochdurchlässig und der Spiegel 62 kann beliebiges Reflektionsvermögen für das Signal haben., da kein Signal, das nach links läuft, erzeugt werden kann. Um die kleinen Reflektionen von den Oszillatorspiegeln daran zu

hindern, Pumpstrahlung zurück in den Pumpresonator zu -Ik

liefern, wird ein optischer Isolator 59 zwischen die Pumpe und den Oszillator gesetzt. Dieser könnte durch einen zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordneten Faraday-Rotator gebildet sein. Eine Grobabstimmung des Oszillators kann durch Drehen des Kristalls z. B. über einen Abstimmantrieb 64 bewerkstelligt werden, ferner durch Steuerung dessen Temperatur, durch Zuführen eines elektrischen Feldes oder durch Druck. Wie hier dargestellt, wird der Oszillator eine wirksam© Quelle

abstimmbarer Strahlungsimpulse sein. Jedoch kann durch ^

Hinzufügen eines Dämpfungsmodulators und eines sättigbaren Farbstoffes zur Impuls schärfung zu dem Oszillator-Resonator, wie dieses für die Ausführungsform nach Fig. 2 beschrieben worden ist, eine Schwingungsform-Zwangskopplung der Oszillator-

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Schwingungsformen erreicht werden und der Signalausgang wird aus einer Folge ultrakurzer Impulse bestehen.

Offensichtlich gibt es weitere Ausführungsformen, mit denen der optische parametrische Oszillator mit einem nichtresonanten Signal betrieben wird. Ein Beispiel eines anderen Mittels zum Erhalt nichtresonanter Signale umfaßt die Verwendung breitbandig relativ hochreflektierender Spiegel zusammen mit einer signalabsorbierenden Vorrichtung 65, die im Inneren des Resonators angeordnet ist. Eine solche Vorrichtung 65 wurde bei den der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen nicht verwendet und ist lediglich zweckmäßig. Er sollte hauptsächlich dann verwendet werden, wenn von der Signalstrahlung kein Gebrauch gemacht werden soll, oder wenn die Vorrichtung 65 selbst eine Weiterverwendungsvorrichtung ist. Auch sollte es sich verstehen, daß ein Teil der resonanten Idler-Strahlung zu Weiterverwendungszwecken ausgekoppelt werden kann.

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Claims

PATENTANSPRUCH

Optischer parametrischer Oszillator mit einem Körper aus optisch nichtlinearem Material, einer Einrichtung zum Zuführen von Pumpstrahlung zu dem Körper, um Signal-und Idler-Strahlungen unterschiedlicher Frequenzen hierin zu erzeugen, und einer frequenzselektiven Einrichtung, die an dem Körper angeordnet ist, um die Idler-Strahlung in Resonanz zubringen, wobei die frequenzselektive Einrichtung Mittel (dielektrische Beschichtungen oder eine Absorptionsvorrichtung) zum nichtresonanten Auskoppeln praktisch der ganzen Signalstrahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß.-das"Verhältnisder Pumpstrahlung zur Schwellwertleistung (P/P ) des nichtlineareh Materials mit etwa (τ/2) gewählt ist.

0098 107 191-6 ;

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