DE2307513A1

DE2307513A1 - Laseroszillator mit gueteschalter

Info

Publication number: DE2307513A1
Application number: DE19732307513
Authority: DE
Inventors: Jun Robert Lincoln Carman; Jun Bertram Charles Johnson; Lloyd Lester Steinmetz
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1972-02-15
Filing date: 1973-02-15
Publication date: 1973-08-30
Also published as: FR2172229A1; CA985402A; US3757249A; GB1395093A; JPS4890693A

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C., U.S.A.

Laseroszillator mit Güteschalter.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laseroszillator mit Güteschalter und insbesondere auf einen Q-geschalteten Mode-verriegelten Laser zur direkten Erzeugung bandbreitenbegrenzter Impulse.

Bandbreitenbegrenzte Laserimpulse sind, weil sie keine Frequenzoder Amplitudenmodulation aufweisen, für viele Anwendungsfälle auf dem Gebiet der Lasertechnologie äußerst zweckmäßig. Es wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um derartige Impulse zu untersuchen. Q-geschaltete und Mode-verriegelte Laser sind ebenso wie Innenhohlraumschaltverfahren aus dem Stand der Technik bekannt und in den US Patenten 3 521 069 und 3 597 695 beschrieben. Bandbreitenbegrenzte Laserimpulse sind jedoch für diagnostische Zwecke, die Nachrichtenübertragung, die Verstärkung, das Experimentieren und viele andere Anwendungsfälle von Lichtimpulsen noch idealer.

309835/0928

Weiterhin sei zum Stand der Technik auf die US Patente 3 168 611 und 3 531 179 hingewiesen.

Die vorliegende Erfindung hat sich insbesondere zum Ziel gesetzt, einen Laseroszillator anzugeben, der bandbreitenbegrenzte Impulse erzeugt.

Zur Erreichung dieses Zieles sieht die Erfindung ein Paar mit Abstand angeordneter, einen optischen Hohlraum definierender reflektiver Mittel vor, wobei im optischen Hohlraum ein Verstärkungsmedium und Polarisiermittel zwischen dem Verstärkungsmedium und einem der Reflektiermittel angeordnet ist, während eine Viertelwellenlängenplatte innerhalb des Hohlraums zwischen den Polarisiermitteln und dem erwähnten einen reflektierten Mittel vorgesehen ist, und wobei eine Pockelszellenvorrichtung zwischen der Viertelwellenlängenplatte und dem einen erwähnten reflektierenden Mittel liegt, und wobei auch Mittel vorgesehen sind, welche ein elektrisches Vorspannpotential an die Pockelszelle legen, und wobei schließlich Schaltmittel vorhanden sind, um das Pockelszellenvorspannpotential an Erde kurzzuschließen.

Der erfindungsgemäße Laseroszillator erzeugt relativ lang andauernde Q-geschaltete oder Q-geschaltete und Mode-verriegelte bandbreitenbeschränkte Impulse. Der Oszillator ist selbst_angetrieben, wobei zugelassen wird, daß sich ein großer optischer Rauschimpuls von steuerbarer Dauer aufbaut, und zwar durch gesteuerte Bandbreitenrückkopplung in einem optischen Hohlraum. Eine synchronisierte gepulste Schaltvorrichtung außerhalb des Oszillatorhohlraums bildet ein System, welches zur Erzeugung von bandbreitenbegrenzten Impulsen in der Lage ist, die eine "abstimmbare" Dauer im Bereich zwischen 0,25 Nanosekunden und > 100 Nanosekunden besitzen.

Die Erfindung bezweckt auch,einen Laseroszillator vorzusehen, der als selbstangetriebener optischer Resonator arbeitet, wobei

309835/0928

spontanes Emissionsrauschen im Hohlraum zeitlich symmetrisch auf einen hohen Q-Zustand im System getastet wird, worauf dann ein Aufbau mittels kontrollierter Bandbreitenrückkopplung zugelassen wird.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laseroszillators;

Fig. 2 schematisch den Lichtverlauf und die Polarisation an Hand einer vergrößerten Ansicht des optischen Hohlraums der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei die Pockelszelle mit einer Halbwellenspannung vorgespannt ist;

Fig. 3 schematisch den Lichtverlauf und die Polarisation bei einer vergrößerten Ansicht des optischen Hohlraums der Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei die Pockelszelle mit einer Viertelwellenspannung vorgespannt ist;

Fig. 4 schematisch den Lichtverlauf und die Polarisation einer vergrößerten Ansicht des optischen Hohlraums der Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei die Pockelszelle mit der Spannung O vorgespannt ist;

Fig. 5 die Pockelszellenverzogerung abhängig von der Zeit;

Fig. 6 die prozentuale Durchlässigkeit (Transmission) der Pockelszellenkombination abhängig von der Zeit;

Fig. 7 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Im-

309835/0928

pulsschalteinheit (PSU) des erfindungsgemäßen Laseroszillators;

Fig. 8, 9, und 10 Q-geschaltete und Q-geschaltete/Mode-verriegelte Wellenformen für die PSU.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laseroszillator, der direkt Q-geschaltete (gütegeschaltete) oder Q-geschaltete/Modeverriegelte bandbreitenbegrenzte Impulse erzeugen kann, deren Dauer zwischen ungefähr 0,25 Nanosekunden bis zu mehr als 100 Nanosekunden reicht. Der Oszillator arbeitet als ein selbstangetriebener optischer Resonator, wobei spontanes Emissionsrauschen im Hohlraum zeitsymmetrisch auf einen hohen Q-Zustand im System getastet wird, worauf dann ein Aufbau durch gesteuerte Bandbreitenrückkopplung zugelassen wird.

Vor einer ins Einzelne gehenden Beschreibung des Oszillators und seiner Wirkungsweise seien das Prinzip und die Elemente des Oszillatorsystems allgemein beschrieben. Das Oszillatorsystem weist ein Verstärkungsmedium, wie beispielsweise Nd:YAG, einen Polarisator, eine Viertelwellenlängenplatte und eine Pockelszelle auf, wobei alle diese Elemente innerhalb eines optischen Hohlraums angeordnet sind, der durch zwei vielfachflächige Resonanzreflexionsetalons definiert ist. Der Polarisator, die Viertelwellenplatte und die Pockelszelle (im folgenden als PQP bezeichnet) sind zwischen dem Verstärkungsmedium und dem höchstreflektierenden hinteren Etalon angeordnet. Die PQP-Elemente sind derart angeordnet, daß sich der Hohlraum in einer ein niedriges Q aufweisenden (verlustbehafteten) Konfiguration befindet, wenn die Pockelszelle entweder auf eine ihrer Halbwellen oder auf ihre Null-Verzögerungsspannung vorgespannt ist. Mit der anfangs mit ihrem Halbwellenwert vorgespannten Pockelszelle wird der optische Hohlraum durch Kurzschließen der Vorspannung an Erde geschaltet, während sich das Verstärkungsmedium auf seiner maximalen Inversion befindet. Wenn die Pockelszellenverzögerung durch ihren Viertelwellenwert läuft, erreicht die Durchlässigkeit der PQP ein Maximum und ein Rauschimpuls (spontan emittiertes Licht) kann durch die Rückseite des Hohl-

309835/0928

raums mit minimaler Dämpfung laufen. Da die Pockelszellenspannung in wenigen Nanosekunden oder weniger auf Null geschaltet ist, und da die Durchlässigkeitskennlinie der PQP-Etalon-Kombination symmetrisch hinsichtlich der Zeit ist, wird im Hohlraum ein großer Amplitudenrauschimpuls in Gang gesetzt, dessen räumliche Ausdehnung kleiner als die Hohlraumlänge ist, und dessen Umhüllung symmetrisch zu seinem Intensitätsmaximum verläuft. Sodann wird zugelassen, daß der anfängliche Rauschimpuls oszilliert, indem man für den getasteten Impuls eine Hohlraum-Hin-und-Rück-Verstärkung aufrechterhält, die größer ist als eins, wenn sich der Hohlraum in seinem restlichen niedrigen Q-Zustand befindet (d.h. die Pockelszellenvorspannung ist auf Null). Der Frequenzgehalt des oszillierenden Impulses wird durch die Schmalband-Rückkopplungseigenschaften der Resonanz-Reflexions-Etalons eingeschränkt, die eine Schwingung (Oszillation) nur für einige wenige der möglichen axialen Moden des Hohlraums zulassen.

Die Arbeitsweise des oben kurz und im folgenden im einzelnen beschriebenen erfindungsgemäßen Systems beruht auf der Kombination des schnellen zeitsymmetrischen PQP-Schalters und den Schmalband-frequenzauswählenden Elementen im Hohlraum. Diese Kombination zusammen mit der Steuerung der Inversion bewirkt eine unabhängige Bestimmung des Zeit- und Frequenzgehalts des Impulses und macht es somit möglich, in diesem System bandbreitenbeschränkte Impulse über einen engen Bereich von Impulsdauerwerten hinweg zu erreichen.

Wie bereits oben erwähnt, sind bandbreitenbegrenzte Laserimpulse auf allen Gebieten der Lasertechnologie erwünscht, und zwar infolge der Tatsache, daß sie keine Frequenz- oder Amplitudenmodulation aufweisen. Allgemein kann ein bandbreitenbegrenzter Laserimpuls als ein Lichtimpuls definiert werden, der eine Bandbreite gleich der Umkehr seiner Zeitdauer besitzt. Mathematisch tritt ein bandbreitenbegrenzter Impuls dann auf, wenn die Fourier-Transformation der Impulsintensität als eine Funktion der Zeit I(t) identisch in Form zu seiner Intensität als

309835/0928

Funktion der Frequenz I(w) ist, d.h.:

I(w) = / e^1Wt I(t) dt (1)

Die obige Beziehung schließt ein, daß bandbreitenbegrenzte Laserimpulse weder frequenzmoduliert noch amplitudenmoduliert sind. Derartige bandbreitenbegrenzte Impulse sind ideal für diagnostische Zwecke, die Nachrichtenübertragung, die Verstärkung, Experimente und viele andere Anwendungsfälle von Lichtimpulsen.

In Fig. 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laseroszillators dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel weist ein aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Aluminium oder rostfreiem Stahl/ aufgebautes Gefäß 10, in welchem ein Verstärkungsmedium 11, wie beispielsweise Rubin, Neodym:YAG, Neodym:Glas, CC>2 oder ein organischer Farbstoff, wie beispielsweise Rhodamine 6G, angeordnet ist. Das Gefäß 10 ist von Blitzlampen 12 umgeben, die beispielsweise zur schraubenförmigen Bauart gehören können; ferner ist ein Polarisationsprisma 13 vorhanden, welches beispielsweise aus Kalzit aufgebaut sein kann. Ferner ist eine Viertelwellenverzögerungsplatte 14, beispielsweise aus Quarz, und eine Pockelszelle 15 vorgesehen. Sodann kann eine Farbstoffzelle 16 vorhanden sein, um die Mode-Verriegelung zu verbessern und/oder zu stabilisieren; dieses Element ist jedoch nur wahlweise vorgesehen und kann - wenn gewünscht - weggelassen werden. Jedes der Elemente 10 bis 16 ist innerhalb eines optischen Hohlraums angeordnet, der durch reflektierende Mittel gebildet ist, die 2 mehrfachflächige resonanzreflektierende Etalons 17 und 18 aufweisen. Im allgemeinen kann der vordere Etalon 17 aus 2, 4 oder 6 Stirnflächen (1,2 oder 3 Platten) bestehen, während der hintere Etalon 18 acht Stirnflächen (4 Platten) besitzen kann, um die gewünschten Frequenzauswahleigenschaften aufzuweisen. Es sei darauf hingewiesen, daß stattdessen auch andere frequenzauswählende Elemente verwendet werden können, oder aber es können solche anderen Elemente zusammen mit den reflektierenden Etalons benutzt werden;

309835/0928

Das einzige Erfordernis besteht darin, daß die Frequenzbandbreite des optischen Hohlraums in geeigneter Weise eingeschränkt wird. Beispielsweise kann der Hohlraum auch zwischen zwei auf einer einzigen Oberfläche reflektierenden Mitteln (Spiegeln) definiert sein, wobei die zusätzliche Frequenzauswahl durch andere Mittel im Hohlraum erzeugt wird. Zudem kann Etalon 18 durch ein hochdispergierendes Gitter ersetzt sein.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laseroszillatorsystems weist auch Mittel 19, wie beispielsweise eine strombegrenzte Hochspannungsleistungsquelle, auf, um der Pockelszelle 15 ein elektrisches Potential aufzuprägen, und zwar über einen Vorwiderstand 20, ein Verzögerungskabel 2O¹ und eine damit verbundene Hochspannungsschaltvorrichtung 21, wie beispielsweise eine Funkenspaltschaltvorrichtung, um so dasPockelszellenvorspannpotential an Erde kurzzuschließen. Die Schaltvorrichtung 21 kann beispielsweise von der im oben erwähnten US Patent 3 597 695 beschriebenen Art sein.

Fig. 2 zeigt den Polarisationszustand des von jedem Element im optischen Hohlraum des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 übertragenen Lichtes, wobei die Pockelszelle 15 mit ihrer Halbwellenverzögerungsspannung vorgespannt ist und entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie man erkennt, ist das vom Verstärkungsmedium 11 kommende und durch Polarisationsprisma 13 übertragene Licht linear in der Papierebene polarisiert, was durch die Linien 22 angedeutet ist. Die Viertelwellenplatte 14 wandelt das linear polarisierte Licht in zirkulär polarisiertes Licht um, und zwar in eine linkskreisende (linkszirkulare oder LC) Richtung, wie dies bei 23 angedeutet ist. Die Pockelszelle 15 wandelt das von der Viertelwellenplatte 14 kommende Licht in eine rechtszirkulare Polarisation mit rechtskreisender (RC) Richtung um, wie dies bei 24 angedeutet ist. Die Reflexion durch Etalon 18 wandelt, wie bei 25 angedeutet, das Licht in in LC-Richtung polarisiertes Licht um, welches sodann, wie bei 26 angedeutet, durch die

in Pockelszelle 15 wieder zurück in der RC-Richtung/polarisiertes

309835/0978

Licht verwandelt wird. Die Viertelwellenplatte 14 wandelt das rechts herum polarisierte Licht von Pockelszelle 15 in linear senkrecht zur Papierebene polarisiertes Licht um, wie dies durch die Punkte 27 angedeutet ist, und das Polarisationsprisma 13 reflektiert - wie durch Pfeil 28 angedeutet - Licht aus dem optischen Hohlraum heraus. Während der einfallende und der reflektierte Strahl kolinear verlaufen, wurde der durch Pfeil 29 angedeutete und eine Polarisationsebene senkrecht zur Papierebene aufweisende (wie dies bei 30 angedeutet ist) einfallende Strahl aus Gründen der Klarheit in Fig. 2 versetzt dargestellt. Ein Teil des linear polarisierten Lichtes läuft durch Polarisationsprisma 13, durch das Verstärkungsmedium 11 und wird durch Etalon 17 in einer Schwindungsmode - wie dies durch Linie 22 angedeutet ist - durch den optischen Hohlraum zurückreflektiert. Die Blitzlampen 12 werden - obwohl dies nicht dargestellt ist - durch übliche Leistungsversorgungseinrichtungen mit Energie versorgt.

Fig. 3 zeigt den Polarisationszustand des durch jedes Element im optischen Hohlraum des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 übertragenen Lichtes, wobei die Pockelszelle 15 mit ihrer Viertelwellenverzögerungsspannung vorgespannt ist. Der zum Polarisator 13 zurückkehrende Impuls ist - wie in Fig. 3 dargestellt linear in der Papierebene polarisiert (wie dies bei 31 angedeutet ist) und läuft durch den Polarisator und durch das Verstärkungsmedium 11 und wird durch Etalon 17 zurück durch den optischen Hohlraum reflektiert. Demgemäß kann bei der mit Viertelwellenpotential vorgespannten Pockelszelle 15 ein Lichtimpuls resonanzmäßig im optischen Hohlraum schwingen. Wie bei Fig. 2 wird ein einfallender Lichtstrahl 29 aus dem optischen Hohlraum durch Polarisationsprisma 13 herausreflektiert, wobei dieser Strahl ein relativ kleiner Anteil des im Hohlraum oszillierenden Lichtimpulses ist. Ferner läuft bei der mit der Viertelwellenspannung vorgespannten Pockelszelle der bei 23 angedeutete Lichtimpuls durch die Pockelszelle 15 hindurch und wird zuerst senkrecht zur Papierebene - wie durch die Punkte 32 ange-

309835/0978

deutet - linear polarisiert und sodann durch Etalon 18 durch den Hohlraum zurückreflektiert und in einer linkszirkularen (LC) Richtung zirkulär polarisiert, wie dies bei 23 angedeutet ist.

Fig. 4 zeigt den Polarisationszustand des durch jedes Element im optischen Hohlraum des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 übertragenen Lichtes, wobei an die Pockelszelle 15 keine (Null) Vorspannung angelegt ist. Wie beim in Fig. 2 dargestellten Halbwellenspannungsbetrieb ist das zu den Polarisationsmitteln oder Prisma 13 zurückkehrende Licht senkrecht zur Papierebene linear polarisiert, wie dies durch die Punkte 27' dargestellt ist; sodann wird das Licht aus dem optischen Hohlraum durch Prisma 13 herausreflektiert, wie bei 28' gezeigt. Der einfallende Lichtstrahl 29 hat ebenso wie in Fig. 2 eine durch Punkte 30 dargestellte lineare Polarisation senkrecht zur Papierebene und wird aus dem optischen Hohlraum herausreflektiert. Der Unterschied zwischen dem in Fig. 2 dargestellten Pockelszellenhalbwellenspannungsbetrieb und dem Null-Spannungsbetrieb der Fig. 4 besteht in der zirkulären Polarisation des Lichtimpulses, wenn er durch die Pockelszelle 15 läuft und vom Etalon 18 zurückreflektiert wird. Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 wurde der Lichtimpuls,wie bei 24 angedeutet , durch die Pockelszelle 15 in eine RC-Polarisation umgewandelt, während er hier durch die Pockelszelle 15 mit einer LC-Polarisation läuft, wie dies bei 33 angedeutet ist; der Impuls wird durch Etalon 18 mit bei 34 angedeuteter RC-Polarisation zurückreflektiert, während in Fig. 2 der Lichtstrahl,wie bei 25 angedeutet, mit LC-Polarisation zurückreflektiert wurde und die Pockelszelle die Umwandlung in eine RC-Polarisation vornahm; in Fig. 4 läuft dagegen das Licht durch die Pockelszelle 15 ohne Polarisationsänderung hindurch, da sich die Zelle 15 auf Null-Spannung befindet.

Ein Mode-verriegelter bandbreitenbegrenzter Lichtimpuls wird mit dem oben beschriebenen Laseroszillatorsystem in folgender Weise erzeugt: 1) Die Pockelszelle 15 wird elektrisch durch

309835/0928

Mittel 19 auf ihr Halbwellenverzögerungspotential vorgespannt und das Verstärkungsmedium 11 wird optisch gepumpt, um eine Populationsinversion in der Laserspezies zu erzeugen; 2) die Funkenspaltschaltmittel 21 werden ausgelöst, um da_s elektrische Potential an der Pockelszelle 15 an Erde zu legen, wodurch die an der Zelle angelegte Spannung schnell absinkt. Wenn die Spannung an der Pockelszelle 15 den Viertelwellenverzögerungswert durchläuft, geht der Laserhohlraum durch einen "Ein"-Zustand, wo ein Lichtimpuls im wesentlichen ungedämpft durch den hinteren Teil des Hohlraums (Elemente 13, 14, 15, 18, 15, 14, 13) zurück und nach vorn laufen kann. Wegen der Deformationsaufwendungen am Pockelszellenkristall sinkt die durch die Pockelszelle 15 eingeführte Verzögerung nicht genau auf Null, sondern auf einen Restwert Δ ab und bleibt dort für einige Mikrosekunden oder länger. Es tritt jedoch bei der Vorspannung Null etwas Lichtübertragung durch die (als PQP) bezeichnete Kombination aus Pockelszelle 15/Viertelwellenplatte 14/Polarisationsprisma 13 auf. Um Selbstschwingungen im Hohlraum in diesem Zustand zu verhindern, kann die Viertelwellenplatte 14 verdreht werden (oder ein anderer Hohlraumparameter kann eingestellt werden) derart, daß die Lichtransmission durch den Hohlraum T (Δ) der folgenden Beziehung genügt, wenn die Pockelszelle 15 eine Polarisationsverzögerung Δ. hat:

T(A)R₁(W)R₂(W)G(W)^I , (2)

wobei R₁ der frequenzabhängige Reflexionsfaktor des Etalons 18, Rj der frequenzabhängigeReflexionsfaktor des Etalons 17 und Τ(Δ) die interne Hin- und Rück-Transmission des hinteren Endes des Hohlraums ist, wenn die Pockelszelle eine Verzögerung gleich Δ. hat und G der Verstärkungsfaktor des aktiven Mediums ist. Die obige Einstellung stellt sicher, daß nur der ursprünglich getastete Impuls im Hohlraum schwingen kann, und daß der Impuls nur Frequenzkomponenten enthält, die der durch obige Gleichung definierten Transmissionsbedingung genügen. Je höher die Verstärkung G des Verstärkungsmediums 11 ist, desto näher an Null kann die Transmission der PQP-Etalon-Kombination sein; dies ist ein Faktor, der bei der Erreichung bandbreitenbegren-

309835/0928

zender Eigenschaften für den Oszillationsimpuls unterstützend wirkt.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der der Pockelszelle eingeprägten Spannung als Funktion der Zeit. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei bemerkt, daß der Hochspannungsschalter 21 zur Zeit T das Haltepotential an der Zelle mit Erde kurzschließt. Das Potential an der Zelle beginnt dann vom Halbwellenverzögerungswert aus abzufallen und die Transmission durch die PQP-Kombination steigt an und erreicht ihr Maximum dann, wenn das Potential den Viertelwellenverzögerungswert für die Pockelszelle erreicht. Sodann nimmt die Übertragung (Transmission) durch die PQP-Schaltkombination ab, wenn die Verzögerung vom Viertelwellenwert auf den A Verzögerungswert abfällt. Bei Δ genügt die Transmission durch den optischen Hohlraum der obigen Gleichung(2), wodurch eine fortgesetzte Schwingung des getasteten Impulses gestattet ist.

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der prozentualen Transmission T(t)/T durch die PQP-Kombination als Funktion der

IuaX

Zeit. Mathematisch ist die Transmissions- oder Übertragungsfunktion der PQP-Etalon-Kombination durch die folgende Beziehung gegeben:

T = A_o sin²K_QV , (3)

wobei T der durch die Kombination übetragene Lichtanteil, A ein frequenzabhängiger Koeffizient(^1), K eine durch die Materialeigenschaften der Pockelszelle und die Schwingungswellenlänge bestimmte Konstante und V die an die Pockelszelle angelegte Spannung ist. Demgemäß ergibt sich die folgende Beziehung, wenn die an die Pockelszelle angelegte Spannung gleich dem Viertelwellenverzögerungswert ist:

^Ko ^VQw ⁼ '^r/2' ⁽⁴⁾

wobei V₀ die Viertelwellenverzögerungsspannung ist.

Der PQP-geschaltete Oszillator hat die folgenden wichtigen Eigenschaften :

309835/0978

1. Der Hohlraum wird dann geschaltet, wenn die Vorspannung an der Pockelszelle durch einen quasi linearen Bereich (um Vj-. ) läuft; im Gegensatz dazu stehen die konventionellen Schaltverfahren, wo der Hohlraum bei einer Vorspannung an der Pockelszelle im nicht linearen Bereich (beispielsweise asymptotisch eine Null-Spannung annnähernd) geschaltet wird;

2. Der PQP-Schalter erzeugt eine zeitsymmetrische Transmissionskennlinie T(t) (vergleiche Fig. 6), wodurch der Oszillatorhohlraum zeitsymmetrisch geöffnet und geschlossen wird. Dieses Merkmal ist zur Erzeugung zeitsymmetrischer Impulse und/oder Impulsumhüllungen zweckmäßig;

3. Die Geschwindigkeit, mit der das Potential an der Pockelszelle abfällt, kann mit konventionellen elektronischen Verfahren geändert werden, wodurch eine direkte elektronische Steuerung der Hohlraumschaltzeit möglich ist, was eine besonders wichtige Eigenschaft bei der Steuerung von Impuls-

an arstellt. (Es wurden

bereits elektronische Systeme entwickelt, die die Spannung an der Pockelszelle von ihrem Halbwellenverzogerungswert V„ auf Null in zwischen 0,24 bis ; 100 Nanosekunden veränderbaren Zeiten herabsetzen.)

Grundsätzlich besteht das vorliegende PQP-Schaltverfahren des erfindungsgemäßen Systems darin, daß die Schwingung eines großen Amplituden-Zeit-symmetrischen-Lichtimpulses induziert wird, der aus stationärem im—Hohlraum (zufälligen) Rauschen besteht, das im optischen Hohlraum erzeugt wird. Die Gesamtverstärkung des Systems gestattet, wenn die Verzögerung an der Pockelszelle auf den Δ Restverzögerungswert abfällt und dort verbleibt, eine fortgesetzte Schwingung und/oder Aufbau der zugelassenen Frequenzkomponenten in dem getasteten Impuls, bis die im Verstärkungsmedium erregte Populationsinversion hinreichend verarmt ist, um die Hin- und Rückverstärkung ("round-trip gain") des Oszillators unter den Wert eins zu vermindern. Es ist somit möglich, die Intensität des Oszillatorausgangsim-

309835/09?8

pulses oder der Impulse zu verändern und noch immer die wesentlichen Betriebsmerkmale des offenbarten Systems beizubehalten, und zwar durch Steuerung der Inversionsgröße im Verstärkungsmedium.

Der Frequenzgehalt des schwingenden Lichtimpulses ist durch die Hohlraumelemente bestimmt, d.h. die in der obigen Gleichung (2) vorhandene Frequenzabhängigkeit hat eine durch die Verstärkungsbandbreiteneigenschaften des Verstärkungsmediums auferlegte obere Grenze (Impulse mit kürzester Zeitdauer). Wenn der optische Hohlraum durch mehrflächige, resonanzreflektierende Etalons gebildet ist, so ist der Frequenzgehalt der Impulse auf besonders enge Frequenzbereiche beschränkt. Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, daß durch Auswahl geeigneter Hohlraumelemente im System auch die Frequenz, Modenauswahl und die sich ergebende Modenverriegelung ("mode-locking") veränderbar ist. Beispielsweise kann der Hohlraum auf Ein-Frequenzbetrieb durch Temperaturabstimmung der beiden Etalons oder durch Hinzufügung anderer Hohlraumelemente beschränkt werden, um bei allen Frequenzen außer einer Frequenz nicht kommensurable Abstände vorzusehen. Der sich ergebende Impuls ähnelt einem Q-geschalteten Impuls und hat eine Dauer bis zu 4OO Nanosekunden.

Wenn die Schwingung von mehr Frequenzmoden im Hohlraum zugelassen wird, dann kann die Impulsdauer kürzer sein. In diesem Fall wird ein kurzer Impuls in den Oszillator eingeschaltet. Dieser Impuls baut sich weiter auf, solange seine Hin- und Rückverstärkung den Wert eins übersteigt. Demgemäß wird jedesmal dann, wenn der Impuls auf den teilweise durchlässigen Front-Etalon 17 auftrifft, ein Teil des Impulses durchgelassen, was eine Reihe oder einen "Zug" von Ausgangsimpulsen zur Folge hat. Die örtliche Ausdehnung des eingeführten Impulses ist in diesem Falle kleiner als die Hohlraumlänge, d.h. 2 oder mehr Hohlraumlängsmoden schwingen in Phase.

Der sich ergebende Impuls oder die sich ergebenden Impulse sind entweder in einer Frequenz oder einer Mehrfrequenzmode bandbrei-

309835/0978

tenbeschränkt, d.h. aw = K/at , (5)

wobei ^w die Bandbreite oder der Frequenzgehalt des Ausgangsimpulses, At die Zeitdauer des Impulses und K eine Konstante in der Größenordnung von eins ist. Der genaue Wert von K hängt von der Impulsform ab. Das erfindungsgemäße System erzeugt Impulse mit beschränkter Bandbreite, weil die Steuerung des Impulsfrequenzgehalts unabhängig von der Steuerung der Impulsdauer ist.

Das für das erfindungsgemäße Oszillatorsystem beschriebene Schaltverfahren kann auch außerhalb des Oszillatorhohlraums angewandt werden, um die Dauer eines Ausgangsimpulses von einem Laser auszuwählen und/oder zu steuern. Im allgemeinen weist die Impulsschalteinheit (PSU) eine Reihe von mit zwei Polarisatoren ausgerichteten Pockelszellen auf, wobei alle an einem gemeinsamen Hochspannungsschalter liegen. Die Pockelszellen sind elektrisch auf ein Verzögerungspotential (Ve) vorgespannt, welches gleich dem "Vollwellen"-Verzögerungswert der Zellen (V_f ) dividiert durch die Anzahl der in der Schaltserie (n) befindlichen Pockelszellen ist, d.h. also:

V = V_fw/N (6)

Fig. 7 zeigt ein Schema für eine PSU, die aus zwei zwischen zwei Polarisationsprismen 37 und 38 angeordneten Pockelszellen 35 und 36 besteht. Die Kombination der Elemente 35-38 ist mit der optischen Achse eines Laserhohlraums ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausgerichtet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 wird die Spannung an den Pockelszellen gleich ihrem Halbwellenverzogerungswert sein. Jede Pockelszelle ist über einen Vorwiderstand 39 mit einem gemeinsamen Verzögerungskabel 40 verbunden, welches wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit Leistung von einer Leistungsversorgungseinrichtung 19' versorgt wird und auch über einen Hochspannungsschalter 21' an Erde gelegt ist. Nach Auslösung des Hochspannungsschalters 21' definiert die Kombination aus dem Pockelszellenpaar und den Polarisationsprismen (Elemente 35-38) zeit-

309835/0978

weise ein symmetrisches übertragungsfenster ähnlich dem in Fig. 6 graphisch dargestellten. Die Zeitdauer des auf diese Weise gebildeten Übertragungs- oder Transmissionsfensters kann fortlaufend eingestellt werden, und zwar durch elektronische Steuerung der Potentialabfallrate an den Pockelszellen 35 und Die externe PSU der Fig. 7 kann mit einer Auflösung bis 0,1 Nanosekunden bezüglich eines ankommenden Impulses aktiviert werden, wenn Synchronisation mit den Schaltelementen innerhalb des Oszillatorhohlraums, beispielsweise der internen Pockelszelle der Fig. 1, vorliegt. Die minimale Transmissionsfensterdauer der PSü gemäß Fig. 7 liegt bisher in der Größenordnung von 0,25 Nanosekunden.

Ein durch die externe PSU der Fig. 1 übertragener Impuls kann bandbreitenbegrenzte Eigenschaften beibehalten, wenn der Eingangsimpuls bandbreitenbeschränkt ist, d.h.:

Aw = K¹ZTp , (7)

wobei iw die Frequenzbandbreite des übertragenen Impulses, K eine Konstante in der Größenordnung von eins und T die Zeitdauer des durch die PSU-Einheit definierten Fensters ist, und wenn der elektrische Kurzschlußimpuls genau geformt ist, so daß der externe Schalter der Fig. 5 die gleichen wichtigen Eigenschaften haben kann, wie sie der oben beschriebene PQP-Schalter im Laserhohlraum der Fig. 1 hat. Demgemäß ist es möglich, in zuverlässiger Weise bandbreitenbegrenzte Lichtimpulse zu erzeugen, deren Zeitdauer kontinuierlich zwischen 0,25 Nanosekunden und > 100 Nanosekunden verändert werden kann, und zwar mittels der Kombination des PQP-Laseroszillators und der externen PSü.

Die Fig. 8-10 veranschaulichen Wellenformen für die PSU der Fig. 5 für "Q-switched" und die "Q-switchedZmode-locked" bandbreitenbeschränkten Impulse. Fig. 8 zeigt die Laserausgangsgröße abhängig von der Zeit, Fig. 9 zeigt die Pockelszellenspannung abhängig von der Zeit, während in Fig. 10 die Ausgangs-

309835/0928

größe der PSU abhängig von der Zeit dargestellt ist.

Die Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen selbstangetriebenen Oszillators wurde in einem Nd:YAG-System demonstriert, welches ein PQP-Element in einem optischen Hohlraum enthielt, der durch ein vierelementiges resonanzreflektierendes (R=99%) hinteres Etalon und ein zweielementiges resonanzreflektierendes (R=66%) vorderes Etalon gebildet wurde. Die dem schraubenförmigen Lampenkopf (der eine 1/4 χ 3 Zoll eben/eben mit AR überzogene Stange aufwies) zugeführte Gesamtenergie betrug ungefähr 100 Joules, was Ausgangsenergien von nominell 0,25 mj/Puls für einen 5 mj Mode- verriegelten Impulszug ergab, wie dies durch ein geeichtes Radiometersystem (EG & G Modell 580) bestimmt wurde. Der Spektralgehalt der Impulse wurde mit einem Fabry-Perot-Interferometer gemessen. Das Zeitverhalten wurde mit einer ITT F-4O14 Fotodiode in Verbindung mit einem Kathodenstrahloszilloskop Tektronix Type 519 überwacht. Die Ausgangsimpulse bei diesen Versuchen bestanden aus 2-3 benachbarten Axialmoden (beschränkt durch die Interferometerauflösung) des -v/m optischen Hohlraums und hatten in entsprechender Weise 2,5 Nanosekunden Dauer (FWHM), und zwar in Übereinstimmung mit der inversen Frequenzbandbreite, d.h. vom System wurden bandbreitenbegrenzte Ausgangsgrößen erhalten. Durch das Vorsehen anderer Modeauswahlkomponenten im Oszillator und durch Einstellung der Inversion wurde festgestellt, daß es möglich ist, die Frequenzbandbreite der Hohlraumrückkopplung zu verändern, um die Zeitdauer der Ausgangsimpulse abzustimmen. Durch Verwendung verschiedener Kombinationen aus ebenen Reflektoren und Etalons wurden bandbreitenbegrenzte Impulse von 0,5-2,5 Nanosekunden und mehr als 100 Nanosekunden Dauer in Tests erhalten, die mit dem erfindungsgemäßen System durchgeführt wurden.

Die vorliegende Erfindung sieht daher einen Laseroszillator zur Erzeugung von relativ lang dauernden Q-geschalteten oder Q-geschalteten/Mode-verriegelten bandbreitenbeschränkten Impulsen vor. Der Oszillator ist selbstangetrieben, wobei man zu-

309835/09?8

läßt, daß sich ein großer Impuls aus Rauschlicht von einstellbarer Dauer aufbaut, und zwar mittels einer gesteuerten Bandbreitenrückkopplung im optischen Hohlraum. Eine synchronisierte gepulste Schaltvorrichtung außerhalb des Oszillatorhohlraums erzeugt bandbreitenbeschränkte Impulse von "abstimmbaren" Zeitdauern, die zwischen 0,25 Nanosekunden und 100 Nanosekunden liegen.

309835/0978

Claims

Patentansprüche

1./Laseroszillator zur Erzeugung bandbreitenbegrenzter Impulse, wobei ein eine große Amplitude aufweisender Lichtrauschimpuls eine örtliche Ausdehnung von weniger als die Länge des optischen Hohlraums besitzt und eine Umhüllende symmetrisch zum Intensitätsmaximum aufweist, und wobei dieser Impuls im Hohlraum eingeleitet wird, wenn ein Vorspannungspotential an Erde kurzgeschloßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar mit Abstand angeordnete, den optischen Hohlraum bildende Reflexionsmittel vorgesehen sind, und daß im optischen Hohlraum ein Verstärkungsmedium (11) vorhanden ist, daß Polarisationsmittel im Hohlraum zwischen dem Verstärkungsmedium (11) und einem der reflektierenden Mittel angeordnet sind, daß eine Viertelwellenplatte im Hohlraum zwischen den Polarisationsmitteln und einem der reflektierenden Mitteln liegt, däß Pockelszellenvorrichtungen im Hohlraum zwischen der Viertelwellenplatte und einem der reflektierenden Mittel angeordnet sind, daß Mittel zum Aufprägen eines elektrischen Vorspannungspotentials an die Pockelszellenvorrichtung vorhanden ist, und daß schließlich Schaltmittel vorgesehen sind, welche die an die Pockelszellenvorrichtung angelegte Vorspannung an Erde kurzschließen.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Mittel des Paares reflektierender Mittel ein mehrflächiges resonanzreflektierendes Etalon ist.

3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Farbstoffzelle zwischen dem Verstärkungsmedium und dem anderen Mittel des Paares mit Abstand angeordneter reflektierender Mittel vorgesehen ist.

4. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsmittel ein Polarisationsprisma aufweisen.

5. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Schaltmittel eine Funkenspaltschaltvorrichtung aufweisen.

309835/0978

6. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Rubin, Neodym:YAG, Neodym:Glas, CO₂ und ein organischer Farbstoff.

7. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ein jedes Mittel des Paares mit Abstand angeordneter reflektierender Mittel ein mehrflächiges resonanzreflektierendes Etalon aufweist.

8. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsschaltvorrichtung außerhalb des optischen Hohlraums angeordnet und mit der optischen Achse des optischen Hohlraums ausgerichtet ist, um einen von dort kommenden Ausgangsimpuls auszuwählen und in seiner Dauer zu steuern.

9. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsschaltraittel eine Vielzahl von Pockelszellen aufweisen, die zwischen einem Paar von Polarisationsprismen angeordnet sind, wobei jede Pockelszelle mit Mitteln zum Aufprägen eines elektrischen Vorspannpotentials über eine eine veränderbare Länge aufweisende Verzögerungsleitung verbunden ist, und wobei ein Hochspannungsschalter zwischen den Pockelszellen und der Verzögerungsleitung liegt.

10. Oszillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsschalter einen Funkenspaltschalter aufweist.

309835/09*8

ι *⁹ ·.

Leerseite