DE2020104C3

DE2020104C3 - Verstärkerkettenstufe für Laserlichtimpulse

Info

Publication number: DE2020104C3
Application number: DE2020104A
Authority: DE
Inventors: Maurice Draveil Michon (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1969-04-24
Filing date: 1970-04-24
Publication date: 1981-01-08
Also published as: FR2041458A5; NL7005977A; BE748840A; GB1259754A; DE2020104A1; US3668536A; LU60698A1; DE2020104B2

Description

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Am Ausgang des Impulsgenerators I umfaßt die Verstärkerkette den an sich bekannten Impulsteiler 2, der in der Regel eine elektrooptische Zelle 9 zur Phasenverschiebung aufweist, wie beispielsweise eine Pockelszelle, die zwischen zwei Selektions-Polarisatoren 10 und 11, in der Regel Glan-Prismen mit senkrecht zueinander angeordneten Polarisationsebenen, angebracht ist.

Die elektrooptische Zelle kann durch einen sehr kurzen, von einem Spannungsgenerator 12 abgegebenen Spannungsimpuls gesteuert werden.

Die Verstärkerstufen, die identisch sein können, bestehen aus einem aktiven Laserstab 13, der mit einem Pumpsystem 14, beispielsweise einer Entladungsröhre, verbunden sein kann.

Die Verstärkerkette arbeitet folgendermaßen:

Der Laserimpulsgenerator gibt einen Lichtimpuls ab, der bei Auslösung durch ein Prisma kaum weniger als 20 ns betragen kann. Dieser Impuls wird durch den Impulsteiler 2, dessen Arbeitsweise bekannt ist, auf die Dauer von ungefähr 1 ns verringert

Das Photonenbündel des kurzen Impulses bewirkt beim Eintritt in den ersten Stab 13 der Verstärkerkettenstufe 3 eine erste angeregte Strahlung, dann dringt der verstärkte, aus der ersten Stufe austretende Impuls in den Stab der zweiten Stufe ein, um eine neue angeregte Strahlung hervorzurufen; das gleiche gilt für alle Stufen der Verstärkerkette.

Auf diese Weise wird am Ausgang der Kette ein beträchtlich verstärkter Impuls erzielt.

In den F i g. 2 und 3, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, sind die gleichen Teile mit denselben Ziffern bezeichnet

In der F i g. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verstärkerkette mit einer mit einem Laserimpulsgenerator verbundenen Verstärkerstufe dargestellt, wobei diese Kette einer Kette mit zwei getrennten Verstärkerstufen gleichwertig ist. Die Kette weist auf derselben optischen Achse und in der Ausbreitungsrichtung des Lichtimpulses einen Impulsgenerator 15 mit Auslösung durch ein Prisma auf, der mit einem mit einer elektrooptischen Zelle 17 zur Phasenverschiebung, beispielsweise einer Pockels-Zelle, ausgerüsteten Impulsteiler 16 verbunden ist, und zwar ist die Pockelszelie zwischen zwei Selektions-Polarisatorcn 18 und 19 mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen angeordnet. Diese Polarisatoren sind im allgemeinen Vorrichtungen aus optischen Kristallen, durch die ein Lichtstrahl nindurchtreten kann, welcher in einer im Verhältnis zu den optischen Achsen der Kristalle bestimmten Richtung geradlinig polarisiert ist, und der einen geradlinig polarisierten, rechtwinklig zum vorgenannten Lichtstrahl verlaufenden Lichtstrahl von seiner Bahn ablenkt. Diese Polarisatoren dienen entweder zur Ablenkung oder zum Hindurchlassen des Lichtstrahls, je nach der Richtung der Polarisationsebene des Lichtes. Die beiden Zustände, d. h. der Durchlaß- bzw. Ablenkzustand, entsprechen zwei Richtungen im rechten Winkel zur Polarisationsebene des Lichtstrahls. Wie vorher wird die elektrooptische eo Zelle durch einen von einem Generator 20 abgegebenen Spannungsimpuls gesteuert.

Am Ausgang des Impulsteilers sind ein mit seinem Pumpsystem 22, beispielsweise einer wendelförmig um den Stab herum angeordneten Blitzlichtlampe verbundener Laserstab 21 und fine totalreflektierende Fläche 23 angeordnet. Es wird beispielsweise zwischen der Ausgangsfläche 24 des Stabs 21 und der totalreflektierenden Fläche 23 eine Viertelwellenpiatte 25 angfbracht, mit der es möglich ist die Polarisationsebene einer Welle um^zu drehen, wenn die Welle zweimal die

Platte 23 passiert

In diesem Beispiel ist die Viertelwellenplatte zwischen dem Stab und dem totalrefleklierenden Prisma angebracht, aber sie kann sich auch zwischen dem Polarisator und dem Stab befinden.
Die Verstärkerkette arbeitet folgendermaßen:
Die Dauer des vom Laserimpulsgenerator 17 abgegebenen Lichtimpulses wird durch den Impulsteüer 16 verkürzt, und der aus ihm durch den Polarisator 19 austretende Impuls kurzer Dauer wird geradlinig polarisiert und tritt dann in den durch die Blitzlichtlampe 22 gepumpten Laserstab 21 ein. Der Impuls wird so ein erstes Mal verstärkt Nach Reflexion an dem Prisma 23 passiert der Impuls wieder den noch teilweise angeregten Stab, nachdem er zw \nal die Viertelwcllcnplattc 25 durchlaufen hat, was ein·'' Drehung der

Polarisationsebene um ^ zur Folge hat Wenn der

Lichtstrahl aus der Fläche 26 des Stabs 21 austritt und auf den Polarisator 19 fällt wird der Lichtstrahl, dessen Polarisationsebene sich mit der Durchlaßrichtung des Polarisators kreuzt, von der Achse der Verstärkerkette abgelenkt und verläßt sie bei 27.

Mit der beschriebenen Vorrichtung ist also eine Verstärkerkette hergestellt worden, die einer Kette mit zwei Verstärkerstufen beinahe gleichwertig ist da der Impuls zweimal einen angeregten Laserstab passiert hat.

Da der Lichtimpuls zweimal denselben Stab passiert, ist ein Höchstmaß an Pumpenergie in Verstärkungsenergie umgewandelt worden, was zur Erhöhung der Leistung einer einzigen Verstärkerstufe beiträgt

In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Verstärkerstufe, durch die der zu verstärkende Lichtimpuls zweimal hindurchgeht, aus dem Polarisator 19, der ι aktiven Medium 21, der Viertelwellenplatte 25 und dem Prisma 23; wenn aber die Verstärkerkette einen aus einer zwischen zwei Polarisatoren mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen angeordneten elektrooptischen Zelle bestehenden Impulsteiler aufweist, kann der Ausgangspolarisator dieses Impulsteilers mit dem Bestandteil der Verstärkerstufe bildenden Polarisator zusammenfallen, was einer der Vorteile der Erfindung ist

In der F i g. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verstärkerkette mit einer Verstärkerstufe dargestellt, die einer Kette mit vier Verstärkerstufen im wesentlichen <?',e'chwertig ist.

Die Kette nach der Fig.3 weist dieselben Teile auf. aber ein totalre^rbktierender Spiegel 28 ist im Strahlengang des bei 27 durch den Polarisator 19 abgelenkten Licbtbündels angeordnet.

Diese Verstärkerkette arbeitet folgendermaßen:

Die erste Phase ist in allen Punkten mit dem oben im ersten Auiführungsbeispiel beschriebenen Vorgang identisch,

Der vom Polarisator 19 abgelenkte Licl.timpuls wird nach seiner Reflexion an dem Spiegel 28 und einer weiteren Ablenkung durch den Polarisator 19 in' den Stab 21 gesandt, wofwi seine Polarisationsebene keine bestimmte Richtung hat.

Der Impuls passiert demnach den Stab zweimal mehr; er passiert ebenfalls zweimal mehr die Viertelwellenplatte 25, und seine Polarisationsebene .erfährt also eine

weitere Drehung um j, so daß der zum zweiten Mal aus

dem Stab 21 durch die Fläche 26 austretende
Lichtimpuls den Polarisator 19 ohne Ablenkung und
ebenso die elektrooptische Zelle 17 passiert.da wahrend
dieser Zeit der die Zelle steuernde Spannungsimpuls
wieder auf seinen Nullwerl abgesunken ist. Der auf den
Selektionspolarisatoi' 18 fallende Lichlimpuls wird von

seiner Bahn abgelenkt, um bei 29 aus der Kette auszutreten, da die Polarisationsebene des Polarisators 18 in bezug auf diejenige des Polarisatofs 19 senkrecht steht. In diesem Falle ist also eine Verstärkerkette hergestellt worden, die einer Kette mit vier in Reihe angeordneten Stufen im wesentlichen gleichwertig ist, und so eine Erhöhung der Leistung einer einzigen Stufe erzielt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerkettenstufe für Laserlichtimpulse mit mehrfachem Strahlendurchgang durch einen mit seinem Anregungssystem verbundenen Laserstab. Eine Laserverstärkerkette weist im allgemeinen einen einen Lichtimpuls abgebenden Laserimpulsgenerator auf, dem Verstärkerstufen zugeordnet sind, welche — ausgehend von dem vom Generator abgegebenen Impuls — einen sehr starken Impuls erzeugen. Der Laserimpulsgenerator besteht im allgemeinen aus einem aktiven Laserstab, der mit einem Pumpsystem, beispielsweise einer wendeiförmigen Entladungsröhre, verbunden ist. Der Stab ist zwischen zwei Spiegeln eines Perot-Fabry-Hohlraumresonators angebracht, wobei einer der Spiegel halbdurchlässig ist, so daß ein Teil der Laseremission aus dem Hohlraum austreten kann, und der andere ein totalreflektierender Spiegel ist, der in eine Drehbewegung Versetzt werden kann, wodurch ein Rieseriimpuls-Laser erzielt wird. Der vom Laserimpulsgenerator ausgesandte Photonenstrom dringt in einen Stab ohne Hohlraumresonator ein, der die erste Stufe der Verstärkerkette bildet. Das aus einem beispielsweise durch das Blitzlicht einer Entladungslampe gepumpten Stab bestehende aktive Laserffiaterial ruft eine verstärkte Emission des Laserimpulsgenerators hervor. Diese Anordnung be^ Patentansprüche:

1. Verstärkerkettenstufe für Laierlichtimpulse mit mehrfachem Strahlendurchgang durch einen mit seinem Anregungssystem verbundenen Laserstab, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf ein und derselben Ausbreitungsachse eines Laserlichtimpulses und nacheinander vom Eingang dieser Stufe an angeordnet einen Selektionspolarisator (19), der Lichtimpulse mit einer Polarisationsebene in einer ersten Richtung ohne Ablenkung durchläßt und Lichtimpulse mit einer zweiten, auf der ersten senkrecht stehenden Polarisationsebene ablenkt, den Laserstab (21), eine totalreflektierende Räche (23) und zwischen dem Selektionspolarisator (19) und der totalreflektierenden Fläche (23) eine Viertelwellenplatte (25) aufweist.

2. Versiä"kerkettenstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine im Strahlengang des vom Polarisator (19) abgelenkten Lichtstrahls angeordnete totalreflektierende Fläche (28) und am Stufeneingang einen zweiten Selektionspolarisator

(18) aufweist, der Lichtimpulse mit Polarisationsebene in der ersten Richtung ablenkt und solche mit Polarisationsebene in der zweiten Richtung ohne Ablenkung durchläßt, und zwischen den beiden Polarisatoren eine steuerbare elektrooptische Zelle (17) aufweist, durch die die Polarisationsebene eines polarisierten Lichtstrahls um π/2 gedreht werden kann.

3. Verstärkerkettenstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der SHektionspoIarisator

(19) ein GLAN-THOMPSONsduis Prisma ist.

4. Verstärkerkettenstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare elektrooptische Zelle (17) eine Pockels-Zelle ist.

25 wirkt somit eine beträchtliche Leistungsverstärkung. So können mehrere Verstärkerstufen in Reihe geschaltet werden, wobei die in den folgenden Stufen angeregte Strahlung durch den Photonenstrom der voranghenden Stufe hervorgerufen wird.

Für Verstärkerketten mittlerer Leistung werden im allgemeinen Stäbe desselben Durchmessers und ungefähr derselben Länge verwendet

In den beschriebenen Lasern tritt der Lichtimpuls nur einmal in das aktive Medium jeder Verstärkerstufe ein, und alle angeregten Medien wie die Ionen und Moleküle tragen nicht zur Erzeugung der angeregten Strahlung bei, was einen Verlust der Gesamtleistung der Kette mit :ich bringt Außerdem hat eine Laserverstärkerkette mit einem Laserimpulsgenerator und beispielsweise vier Verstärkerstufen eine Länge von ungefähr 3 bis 4 m.

Um den Laserimpulsgenerator und die Stufen in Reihe zu schalten, müssen sie zur Vermeidung von Schwingungen auf einer optischen Bank angeordnet werden, die wenigstens ebenso lang wie die Verstärkerkette ist Eine derartige optische Bank besteht im allgemeinen aus einem einzigen Granitstab, dessen Querschnitt im allgemeinen ein Quadrat von etwa zehn cm Seitenlänge ist Eine solche Bank ist daher sehr kostspielig.

Daher wurde be/eits vorgeschlagen (siehe Bell System Technical Journal Bd. 41, Nr. 4,1962, Seite 1395), den Lichtstrahl zweimal durch eine Verstärkungsstufe laufen zu lassen, indem ein Totalreflektor am Stufenausgang vorgesehen wird (gefaltete Anordnung). Dadurch ergeben sich jedoch schwer zu lösende Probleme der Auskopplung des verstärkten Strahls sowie der Rückwirkung auf den Impulsgenerator.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkerkettenstufe für Laserlichtimpulse der gefalteten Art anzugeben, bei der ohne wesentlichen Mehraufwand eine Rückwirkung auf den Impulsgenerator sicher vermieden wird und die gegebenenfai's sogt, mehr als zweimal von dem Strahl durchlaufen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Verstärkerkettenstufe gelöst. Dabei wird ein ohnehin meist zur Impulsbreitenreduzierung zwischen dem Impulsgenerator und der Stufe vorgesehener Polarisator zur Auskopplung des verstärkten Strahls verwendet, nachdem der Strahl in seiner Polarisationsebene in geeigneter Weise gedreht worden ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun im Vergleich zum Stand der Technik an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 stellt eine bekannte Verstärkerkette der ungefalteten Bauweise dar.

Fig. 2 und 3 stellen zwei Laserverstärkerketten als Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt eine Verstärkerkette herkömmlicher Bauweise.

Die Verstärkerkette weist, auf derselben optischen Achse nacheinander angeordnet, einen getriggerten Laserimpulsgenerator 1. einen Impulsteiler 2 für die Verringerung der Dauer des vom Laserimpülsgenerator ausgesandten Impulses von im allgemeinen ungefähr 20 ns auf ungefähr 1 bis 2 ns und mehrere Verstärkerstufen wie 3 Und 4 auf.

Der impulsgenerator 1 kann beispielsweise aus einem Von seiner Entladungsröhre 6 Umgebenen und zwischen einem halbdurchlässigen Spiegel 7 und einem in Drehbewegung vefsetzbäreri, totalreflektierenden Prisma 8 angebrachten aktiven Laserstab 5 bestehen.

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