DE2617706A1

DE2617706A1 - Schnell durchstimmbarer, kontinuierlich arbeitender laser

Info

Publication number: DE2617706A1
Application number: DE19762617706
Authority: DE
Inventors: Chung L Prof Tang; John Martin Telle
Original assignee: Cornell Research Foundation Inc
Current assignee: Cornell Research Foundation Inc
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-25
Also published as: US3973219A; GB1535544A; FR2309059B3; JPS51131291A; FR2309059A1; CA1049128A; IT1062931B

Description

USSlJ 571,341 23. April 1976

Piled April 24, 1975 9854-76 Dr.v.B/S

Cornell Research Foundation, Inc., 18 East Avenue,

Ithaca, Έ.I., V.St.A.

Schnell durchstimmbarer, kontinuierlich arbeitender Laser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schnell durchstimmbar en, kontinuierlich arbeitenden laser, insbesondere Farbstofflaser, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Laser, die sich durch elektro-optische oder akustooptische Verfahren relativ schnell durchstimmen, also hinsichtlich der Frequenz der abgegebenen Strahlung versbellen lassen, sind bekannt. Beispielsweise ist in einer Veröffentlichung von J.M. Teile und 0. L. Tang in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 24, Nr. 2, Seiten 85 bis 87 (1974) ein Laser mit einer elektro-optischen Abstimmvorrichtung beschrieben, die nicht nur schnell arbeitet, sondern auch eine Abstimmung in einem breiten Abstimmbereich gestattet. Da jedoch die Resonator-Abklingzeit, insbesondere bei einem kontinuierlich arbeitenden Farbstofflaser, in der Größenordnung von 100 Nanosekunden liegt und da die Resonatoranschwingzeit vom Leistungsniveau der spontanen Emission ebenfalls in dieser Größenordnung liegt, hat man es bisher für unmöglich gehalten, einen Laser in einer kürzeren Zeitspanne als etwa 0,1 Mikrosekunden über einen nennenswerten Wellenlängenbereich abstimmen zu können.

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Andererseits ist bei vielen potentiellen Anwendungen (z.B. bei der optischen Impulskompression und der Spektroskopie mit Zeitauflösung) ein Durchstimmen der Wellenlänge in einer wesentlich unter 0,1 Mikrosekunden liegenden Zeitspanne erforderlich, und man hat daher elektronisch abstimmbare Laser bisher für solche Anwendungen nicht in Betracht gezogen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Laser zu schaffen, bei dem die Wellenlänge der stimuliert emittierten Strahlung in einer kürzeren Zeitspanne als es bisher möglich war, geändert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch lunter Schutz gestellten Laser und das im Patentanspruch 4 unter Schutz gestellte Verfahren gelöst.

Bei dem Laser und dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine kontinuierliche räumliche Änderung der im Laserresonator hin- und herwandernden Lichtwelle bewirkt und damit eine Abstimmgeschwindigkeit erreicht, die um Größenordnungen höher liegt als es bisher für möglich gehalten wurde.

Im folgenden werdenAusführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines abstimmbaren Lasers mit einer Abstimmvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Pig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der zeitlichen Beziehungen zwischen einer Abstimmkristallspannung und der Lichtwellenlänge im Laserresonator.

In Pig. 1 ist stark vereinfacht ein abstimmbarer Farbstofflaser dargestellt, der eine Laserlichtquelle oder Anregungslichtquelle 1 , Spiegel 2 und 3, die einen optischen Resonatorhohlraum begrenzen, eine Farbstoffzelle 4 sowie ein Abstimmelement 5, das sich in der Mitte des Resonatorhohlraumes

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befindet, enthält. Bei dem Abstimmelement 5 handelt es sich vorzugsweise um einen in der oben erwähnten Arbeit von Teile und Tang beschriebenen Typ, man kann jedoch auch andere Arten von Abstimmelementen verwenden, die eine rasche Abstimmung in einem breiten Band gestatten.

Bei dem Laser gemäß Pig. 1 beträgt die optische länge L des Resonatorhohlraumes in cm:

τ - c

wobei e die lichtgeschwindigkeit in cm/sec (also etwa 3 χ 10 )

und f die Abstimmfrequenz in Hertz bedeuten. Pur eine Abstimmen

frequenz von 10 Hertz (10 ns) beträgt die optische Länge des Resonatorhohlraumes 3 m.

In Pig. 2 ist zur Erläuterung der Arbeitsweise eines abstimmbaren Parbstofflasers gemäß der Erfindung ein 3 m langer Resonatorhohlraum für eine Abstimmfrequenz von 10 Hertz (10 ns) dargestellt. Im obersten Diagramm der Pig. 2 ist der Verlauf der Abstimmkristallspannung in Abhängigkeit von der in Nanosekunden angegebenen Zeit aufgetragen. Längs und oberhalb der Zeitachse (Abszisse) ist außerdem die Wellenlänge des Laserlichts angegeben, das sich in dem betreffenden Zeitpunkt durch den Abstimmkristall ausbreitet. Im unteren Teil der Pig. 2 sind eine Polge von Vorgängen, die im Laserresonator stattfinden, sowie die Zeiten, bei denen sie stattfinden, dargestellt.

Pig. 2 zeigt, daß die Spannung am Kristall im Zeitpunkt t = 0 einen Maximalwert hat und die Wellenlänge der durch das Abstimmelement wandernden Strahlung J^₁ ist. Während der Zeitspanne zwischen 0 und 5 ns ändert sich die Spannung am Abstimmkristall vom Maximalwert auf einen Minimalwert, und dementsprechend ändert sich auch die Wellenlänge maximaler Transmission des Abstimmelementes, z.B. auf iVg· Während der gleichen Zeitspanne wird sich ^ zum rechten Spiegel 3 ausbreiten.

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Während des nächsten Intervalles τοη 5 ns wird die Strahlung mit der Wellenlänge \^ zurück zum Abstimmkristall wandern und die Spannung wird wieder ihren Maximalwert annehmen, also den Wert, bei dem die Abstimmvorrichtung ihre maximale Transmission bei der lÖ.lenlänge A₁ hat. Es wird sich also ein Gleichgewichtszustand einstellen, bei dem der laser in 5 ns von λ., auf λ« und während der nächsten 5 ns von ^₂ ^au^ λ-ΐ durchgestimmt wird. Kurz gesagt besteht der wesentliche Unterschied zwischen dieser Betriebsart und der der bekannten laser darin, daß die Wellenlänge der lichtwelle, die innerhalb des Resonatorhohlraumes hin- und herwandert, sich kontinuierlich räumlich ändert. Hierdurch ergibt sich eine kontinuierliche periodische Modulation der Wellenlänge der Laseremission, wobei die Perioden jeweils gleich der Umlaufdauer im Resonatorhohlraum ist und sich eine Durchstimmgeschwindigkeit (dA/dt) ergibt, die um Größenordnungen höher ist als es bisher für möglich erachtet worden war.

Außer einer im allgemeinen unerwünschten Verlängerung des Resonators ändern sich die oben erläuterten Verhältnisse nicht wesentlich, wenn man einen oder beide Spiegel um eine solche Strecke nach außen rückt und/oder die Steuerfrequenz des Abstimmelements derart erhöht, daß der Resonator nicht nur eine sondern mehrere ganze Perioden der räumlichen Wellenlängenänderung enthält. Man kann im Prinzip die Anordnung gemäß Fig. 1 auch "halbieren", d.h. den Spiegel 2 bei entsprechender Verkürzung des Abstimmelements direkt an dieses angrenzend anordnen.

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Claims

Patentansprüche

^{ 1.1 Verfahren zum Durehstimmen eines kontinuierlich arbeitenden Lasers, insbesondere Farbstofflasers, mit einem optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des sich innerhalb des Resonators ausbreitenden Lichtes kontinuierlich räumlich geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geke nnzeichnet, daß die Änderung der Wellenlänge des sich im Resonator ausbreitenden Lichtes durch ein optisch in der Mitte des Strahlenganges des Laserresonators angeordnetes Abstimmelement mit einer Frequenz f geändert wird, die der folgenden Gleichung genügt:

■ρ - ^c

¹ - L

wobei L die optische Länge des Laserresonators in Zentimeter und c die Lichtgeschwindigkeit in Zentimeter pro Sekunde bedeuten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 für einen Laser mit einem durch zwei Spiegel begrenzten optischen Resonator, in dem sich ein stimulierbares Medium und ein Abstimmelement befinden, dessen Wellenlängeneinstellung durch ein elektrisches Signal periodisch steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängeneinstellung mit einer Periode geändert wird, deren Dauer gleich der durch eine ganze Zahl, einschließlich' 1, geteilten Laufdauer der Strahlung vom Abstimmelement durch das stimulierbare Medium zu dem einen Spiegel und zurück zum Abstimmelement ist, wobei der andere Spiegel direkt angrenzend an das Abstimmelement oder in einem solchen Abstand vom Abstimmelement angeordnet ist, daß die Laufdauer der Strahlung vom Abstimmelement zum zweiten Spiegel

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und zurück ein ganzes Vielfaches (einschließlich. 1) der Periodendauer der Änderung der Wellenlängeneinstellung ist.
4. Durchstimmbarer, kontinuierlich arbeitender Laser mit einem optischen Resonator, in dem sich ein stimulierbares Medium sowie ein Abstimmelement befinden, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch g e ke η η zeichnet, daß das Abstimmelement (5) in der Mitte des Laserresonators (2-3) angeordnet ist und mit einer Abstimmfrequenz arbeitet, die gleich der in Zentimeter pro Sekunde gerechneten Lichtgeschwindigkeit geteilt durch die in Zentimeter gerechnete optische Länge (L) des optischen Resonators ist.
5. Laser nach Anspruch 4» dadurch gekennz e i c h η et , daß das stimulierbare Medium eine Farbstoffzelle (4) ist.
6. Laser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstimmelement (5) einen elektro-optischen Kristall enthält.

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