DE2752539A1

DE2752539A1 - Laser

Info

Publication number: DE2752539A1
Application number: DE19772752539
Authority: DE
Inventors: Evan P Chicklis
Original assignee: Sanders Associates Inc
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1976-11-24
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1978-06-01
Also published as: US4110702A; GB1595434A; FR2372529A1; AU3093077A; JPS5368194A; NL7712752A; CA1085948A

Description

Firma SANDERS ASSOCIATES, INC., Daniel Webster Highway, South, Nashua N.H. 03061, USA

Laser

Die Erfindung betrifft einen Laser, insbesondere einen solchen, der im Spezialbereich des sogenannten Tiefenrots sendet.

Viele militärische Systeme können einen Nutzen aus der Entwicklung von Strahlungsquellen ziehen, welche mit den Empfängern abgestimmt ("in band") sind. So erfordern beispielsweise optische Zielsuchsysteme Laserquellen im Bereich zwischen demfeichtbaren und dem infraroten Licht des elektromagnetischen Spektrums. Dies ergibt sich daraus, daß die Rücksendung von einem optischen System (sein Querschnitt) am höchsten ist im vorgesehenen

Für
Verwendungsbereich./die Peststellung visueller oder televisueller optischer Systeme sind deshalb Strahlungsquellen im Spezialbereich zwischen 0,4 und 0,9 um erforderlich.

Es befinden sich derzeit nur wenige Festkörper-Laserquellen in Entwicklung, welche die erforderliche Leistungsfähigkeit für diese Anwendungen haben. Doppel-Nd-Laser, die bei 0,53 \im arbeiten, sind für viele Anwendungszwecke deshalb nicht geeignet, weil die Strahlung für das bloße Auge sichtbar ist. Er1LiYF₄-Laser, die bei 0,85 μπι arbeiten, sind deshalb für bestimmte An-

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wendungszwecke untauglich, weil die Wellenlänge sich zu weit im Infrarotbereich befindet. Rubin-Laser, die bei 0,69 um ausstrahlen, sind grundsätzlich 3-Niveau-Laser mit hoher Ansprechschwelle, die einen Betrieb nur mit sehr niedriger Wiederholungsfrequenz erlauben.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung einer optisch gepumpten Laserquelle, die im Bereich des sogenannten Tiefenrots des Spektrums strahlt und bei hoher Leistungs- und Energiedichte eine hohe Wiederholungsfrequenz aufweist. Diese Laserquelle so"bei Raumtemperatur mit hoher Leistungs- und Energiedichte eine Strahlung bei 0,75 um ausstrahlen. Schließlich soll ein Festkörperlaser mit hoher Wiederholungsfrequenz geschaffen werden, der zwischen 0,53 und 0,85 um arbeitet.

Gemäß der Erfindung wird diese Ausgabe dadurch gelöst, daß ein bei 0,75 um arbeitender, optisch gepumpter Festkörper-Laser geschaffen wird, bei welchem ein mit Holmium (Ho³ ) dotierter Lithium-Yttrium-Fluorid-Kristall (LiYF₄) verwendet wird.

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: das Kernschema eines idealisierten Ions, Fig. 2: ein Kernschema von Ho³ :LiYF-, und Fig. 3: ein Blockschaltbild eines bei 0,75 um arbeitenden Lasers.

Es gibt viele Elektronenübergänge, welche zur Ausstrahlung eines Laserlichts in dem interssierenden Bereich führen könnten. Eine hohe Leistungs- und Energiedichte bei Zimmertemperatur

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in einem optisch gepumpten FEstkörper-Laser muß jedoch der

Kernaufbau der in Betracht gezogenen Systeme bestimmten Anforderungen genügen. Solche Anforderungen gibt es sowohl für die in Betracht gezogenen Elektronenübergänge in einigen Ionen als auch für das Grundmaterial, in welches die Ionen eindotiert werden.

Der gewählte übergang besteht im allgemeinen aus einem oberen Laser-Niveau (A in Fig. 1), einem unteren Laser-Niveau (B),dem Grundniveau (C) und den Pumpenbanden. Zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte sind für diesen übergang folgende allgemeine Bedingungen gegeben:

1. Eine Energietrennung zwischen B und A entsprechend der Frequenz des gewünschten Laserübergangs, speziell eine Frequenztrennung zwischen etwa 13000 und 14000 cm

2. Eine breite Energietrennung zwischen den Niveaus B und C₁ und zwar im Vergleich mit KT (K=BoItzmann-Konstante, T=Temperatur), um so ein 4-Niveau-System sicherzustellen.

3. Eine Reihe dicht benachbarter Niveaus oberhalb A, um einen schnellen Abfall zwischen den Niveaus der Pumpbanden und dem oberen Laser-Niveau (A) zu erhalten.

Das Kernschema von Holmium, insbesondere der S- - ¹T^- übergang in Holmium, erfüllt diese Anforderungen. Es muß jedoch noch ein geeignetes kristallines Grundmaterial für diesen übergang gefunden werden, in welchem Grundmaterial das Holmium einige zusätzliche spektroskopische Eigenschaften aufweist, die weiter unten erläutert werden.

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Um die oben beschriebenen besonderen Eigenschaften zu erhalten, muß ein kristallines Grundmaterial gefunden werden, in welchem die Grundmaterial-Holmiumion-Kombination folgende Eigenschaften aufweist:

1. Eine schmale spektrale Linienbreite des A-B-Fluoreszenzübergangs (hohe Güte).

2. Eine lange Lebenszeit der Fluoreszenz des A-Niveaus.

3. Eine Durchü&sigkeit des Grundmaterials im Bereich der Holmium-Pumpbanden (0,5 bis 0,2

4. Ein hoher Widerstand gegenüber STörungen, welche durch die Pumpstrahlung im Bereich der Pumpbanden induziert werden.

5. Brauchbare thermische und mechanische Eigenschaften sowie die Fähigkeit eines einwandfreien Kristallwachstums bei Vorhandensein des gewünschten Anteils an Holmium.

Alle diese Forderungen werden durch eine Ion-Grundmaterial-Kombination erfüllt, welche durch die Formel Ho:LiYF₄ gegeben ist.

Das Termschema von Ho:LiYF. ist in Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Laser von Fig. 3 weist einen Laser-Resonatorraum auf, der durch Resonatoren, nämlich zwei hochreflektierende Spiegel 10 und 12 begrenzt wird. Selbstverständlich können die gezeichneten Spiegel auch durch gekreuzte Porroprismen ersetzt werden, um Probleme einer fehlenden Ausfluchtung zu vermeiden, wie allgemein bekannt ist. In diesem Fall werden dann im Mittelpunkt des Resonatorraums Elemente angebracht, um das

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Laserlicht nach außen abzulenken. Es ist aber auch möglich, nur ein einziges Porroprisma zu verwenden, wobei dann der Laserausgang am verbleibenden Spiegel stattfindet.

Innerhalb des Resonatorraums und längs dessen optischer Achse befindet sich ein Lasermaterial 14 und eine Güteschaltung 16. Vorzugsweise ist das Lasermaterial 14 ein Stab aus Ho³⁺:LiYF..

Benachbart dem Laserstab 14 befindet sich ein Pumpstrahler 18, um den Laserstab in einen hohen invertierten Energiezustand zu bringen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Pumpstrahler 18 um eine Blitzlichtlampe. Die Blitzlichtlampe 18 liegt an der Spannung einer Stromquelle 20.

Die Güteschaltung 16 dient dazu, die Laserenergie im Resonatorraum zu halten, bis im Stab 14 ein genügend hoher invertierter Energiezustand erreicht ist. Als Güteschaltung wird vorzugsweise eine Pockelzelle verwendet.

Die schaltung der Güteschaltung 14 wird durch eine Verzögerungsschaltung 22 gesteuert, die durch ein Signal der Stromquelle 20 ausgelöst wird. Die Mittel zur Anregung der Blitzlichtlampe 18 und die speziellen Mittel zur Steuerung des Gtiteschaltung 16 stellen keinen Teil der Erfindung dar₍und es können auch andere in der Lasertechnik bekannten Elemente für diese Zwecke Verwendung finden.

Während des Betriebs empfängt der Pumpenstrahler 18 einen STromimpuls von der Stromquelle 20 und sendet einen Punktimpuls geeigneter Wellenlänge aus, um so die Moleküle im Laserstab 14 an-

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zuregen. Die Güteschaltung 16 wird durch die Verzögerungsschaltung 22 betätigt, derart, daß der optische Resonatorraum in einen Zustand niedriger Güte bzw. hohen Verlustes versetzt wird. Nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne, in welcher die angeregtem Atome im Stab 14 einen Zustand hoher invertierter Energie erreicht haben,wird die an die Güteschaltung 16 gelegte Spannung abgeschaltet, womit der optische Resonatorraum in einen Zustand niedrigen Verlustes und hoher Güte gelangt. Nahezu gleichzeitig mit der Umschaltung wird aus dem Resonatorraum ein Laserimpuls abgegeben.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt,sondern es sind diesem gegenüber zahlreiche Abwandlungen möglich, ohne den Bereich der ER-findung zu verlassen.

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Leerseite

Claims

DIPL ING. KLAUS BEHN DIPL PHYS ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

WIDENMAVERSTRASSE β Ο SOOO MÜNCHEN 22 TEL. (OBS) 22 28 3O 29 0102

23. November 1977 A 27777 Mü/ib

PATENTANSPRÜCHE

(L)

1J Optisch gepumpter Festkörper-Laser mit einem Laser-Resonatorraum, einem im Resonatorraum angeordneten Laserkörper und einem den Laserkörper mit Pump-energie bestrahlenden Pumpstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper eine Laserstrahlung einer Wellenlänge von 0,75 \im abgibt.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß im Resonatorraum eine Güteschaltung angeordnet ist.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper ein mit Holmium dotierter LitMum-Yttrium-Fluorid-Kristall ist.
4. Laser mit in einem Resonatorraum ausgerichtetem Kristallstab und mit einem den Kristallstab mit Pumpenergie beaufschlagenden Pumpstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus einem Grundmaterial aus LitiiLum-Yttrium-Fluorid und aktiven Holmium-Laserionen besteht.
5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der

Pumpstrahler eine Strahlungsquelle enthält, die im Bereich der

Bankhau· Merck. Flnck A Co.. München. (BLZ 7OO3O400) Konlo-Nr. 2B4B49 Bankhaus H. Aulhauaar. München. Nr 2813OO Poatacheck: München 2OSO4 BOO

Holmium-Pumpbanden eine intensive Strahlung abgibt.
6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpstrahler eine Blitzlichtlampe enthält-

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