DE3021230A1

DE3021230A1 - Akustooptischer pulslaser

Info

Publication number: DE3021230A1
Application number: DE19803021230
Authority: DE
Inventors: Fred E Ellis
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1979-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1980-12-11
Also published as: FR2458923B1; DE3021230C2; US4308506A; FR2458923A1; GB2052842A; GB2052842B

Description

Patentanwälte

Dlpl.-Ing Dipl.-Chem. DipK-Ing. O Π O Λ OOf)

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser ° ^{u z} ' ^z ^ö ^u

Erriibsrgarstrasse

8 München 60 - 4 -

4. Juni 1980

Texas Instruments Incorporated 13500 North Central Expressway Dallas, Texas / V.St.A.

Unser Zeichen: T 3332

Akustooptischer Pulslaser

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laser, insbesondere Laser mit einem schnellen akustooptischen Pulsschalter.

Ein Lasersystem ist ein Oszillator, der im sichtbaren, ultravioletten oder Infrarotspektrum betrieben wird. Es besteht aus einem Verstärker, der das Prinzip der "Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission" ausnutzt, und aus einer optischen Rückkopplungsschleife, in der ein Teil der Ausgangsleistung des Verstärkers zu seinem Eingang zurückgekoppelt wird, um weiter verstärkt zu werden, wodurch das System in Schwingung versetzt wird.

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Der Verstärker ist aus einem Lasermaterial gebildet, das bei der gewünschten Wellenlänge emittiert. Einige übliche Lasermaterialien sind Gase, Glas und Halbleiter.

Ein typisches Lasersystem ist in der US-PS 3 896 397 beschrieben. Dieses System enthält einen Laserstab, der durch eine Blitzlampe gepumpt wird. Der Laserstab befindet sich zwischen zwei Reflektoren. Ein Reflektor wird als Stabreflektor und der andere als Pulsschalter-Reflektor bezeichnet. Der Pulsschalter befindet sich zwischen dem Laserstab und dem Pulsschalter-Reflektor. Der Pulsschalter ist dabei als langsame Pulsschaltvorrichtung zu betrachten, da seine Schaltgeschwindigkeit größer ist als die Laserpuls-Aufbauzeit. Die Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung (t ) wird durch die Schallgeschwindigkeit (v) in dem schallübertragenden Material und die Apertur (A) des Laserstabs bestimmt. Es gilt z.B.:

^VQUARTZ ^{= 5}'^{96 X}

für einen Laserstab mit 5 mm gilt also

t = — = = 840 Nanosekunden (ns)

QUARTZ 5,96 x 10°

Die Schaltgeschwindigkeit kann auf etwa 420 ns erhöht werden, indem die optische Auslegung des Laserresonators optimiert wird.(gekreuzte Porro-Prismen). Die Schaltzeit ist jedoch im Vergleich zu der Laseraufbauzeit, die etwa 200 ns beträgt, immer noch zu lang. Der Nachteil einer zu langen Schaltzeit besteht darin, daß sogenanntes Nachlasen auftritt. Wenn also der Primärpuls emittiert wird, überdeckt die Rückkopplung nur einen Teil der Laserstab-Apertur; nach dem Primärpuls breitet sich also die Rückkopplung in andere Teile des Stabes aus, in denen noch eine hohe Inversion der Besetzungsdichte vorhanden ist, und zusätzliche Laserpulse werden als Störimpulse

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emittiert. Zu den Bemühungen zur Behebung des Problems des Nachlasens gehören die Herabsetzung des Dotierniveaus von Laserstäben, z.B. Laserstäben aus Nd:YAG, Entwicklung neuer Stabmaterialien, Änderung der Stablänge, Verwendung von Mitteln zum Dehnen der optischen Weglänge, Verändern der Resonatorgeometrie und Wahl von geeigneten Pulsformen für die HF-Ansteuerung. Mit keiner dieser Maßnahmen ist es jedoch gelungen, das Nachlasen wesentlich zu vermindern.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines schnellen akustooptischen Pulslasers. Die Herstellung dieses Pulslasers soll leicht und wirtschaftlich sein. Dabei soll der Pulslaser praktisch kein Nachlasen aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Der akustooptische Pulslaser enthält also einen Verstärker und eine Rückkopplungsschleife. Die optische Rückkopplungsschleife enthält einen schnellen Pulsschalter mit einem ersten und einem zweiten Wandler, die so angeordnet sind, daß sie einander entgegengesetzte Geschwindigkeitsvektoren erzeugen, die zeitlich so abgestimmt sind, daß für den Primärpuls eine maximale Rückkopplung erzeugt wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines bekannten langsamen akustooptischen Pulslasers, wobei zur Vereinfachung die HF-Quelle entfernt ist;

Fig. 2a bis 2d die Beziehung zwischen dem Aufbau der Rückkopplung und der Ausbreitung einer akustooptischen Welle bei einem langsamen akustooptischen Pulslaser;

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Fig. 3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen schnellen akustooptischen Pulslasers, wobei zur Vereinfachung die HF-Quelle entfernt ist;

Fig. 4 eine Ausführungsform des Pulsschalters für den schnellen akustooptischen Pulslaser;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des Pulsschalters für den schnellen akustooptischen Pulslaser; und

Fig. 6a bis 6d die Beziehung zwischen dem Aufbau der Rückkopplung und der Ausbreitung der akustooptischen Welle bei einem schnellen akustooptischen Pulslaser.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, um einen bekannten, langsamen akustooptischen Pulslaser kurz zu beschreiben, dessen wesentliche Elemente als Lasersystem 10 dargestellt sind. Ein Stab aus Lasermaterial, z.B. Nd:YAG, ist zwischen zwei Reflektoren 14, 16 angeordnet. Der Reflektor 14 ist ein Porro-Prisma, dessen Scheitel 18 in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene liegt. Der Reflektor 16 ist ebenfalls ein Porro-Prisma, sein Scheitel 20 liegt jedoch in der Zeichenebene.

Zwischen dem Laserstab 12 und dem Reflektor 16 befindet sich ein akustooptischer Pulsschalter 22, der von einem Wandler 24 angesteuert wird, der Schallenergie an den Schalter anlegt.

Eine Blitzlampe 26 liefert die optische Pumpeenergie für den Laserstab 12. Die Blitzlampe 26 und der Laserstab 12 sind innerhalb einer auf der Innenseite reflektierenden elliptischen Wandung 28 angeordnet.

Die Porro-Prismen 14 und 16 und der Pulsschalter 22 sind axial mit der Längsachse des Laserstabs 12 ausgerichtet. Der

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ο „

Pulsschalter 22 und das Porro-Prisma 16 sind unter vorgewählten Winkeln (1/2 ed) zur Senkrechten geneigt; ed ist der Reflexionswinkels des Schalters 22, und zwar derselbe Winkel wie der Reflexionswinkel des Porro-Prismas 16.

Wenn der Pulsschalter 22 abgeschaltet ist, gelangt aufgrund der fehlenden Ansteuerung desselben durch den Wandler 24 die Strahlung aus dem Laserstab 12 in im wesentlichen gerader Linie durch den akustooptischen Schalter 22 hindurch und wird durch den verdrehten Reflektor 16 aus der Rückkopplungsschleife herausreflektiert. Die Verdrehung des Pulsschalters 22 dient dazu, eine unerwünschte Laserwirkung durch Direktreflexion an der Oberfläche des Pulsschalters 22 in den Stab hinein zu verbreiten. Der Neigungswinkel ist der Ablenkwinkel des Pulsschalters 22, bei dem es sich um eine Bragg'sehe Zelle handeln kann.

Wenn der Wandler 24 angesteuert wird, breitet sich eine Schallwelle durch den akustooptischen Schalter 22 aus, wie später im einzelnen erläutert, wird, und die Strahlungswege können die in Fig. 2 gezeigte Form annehmen.

Es wird nun auf die Fig. 2a bis 2d Bezug genommen. Fig. 2a zeigt die Apertur des Laserstabs 12, den Pulsschalter 22 und den Wandler 24. Der (nicht gezeigte) HF-Treiber ist über Leitung 30 an den Wandler 24 angeschlossen. Die Apertur des Laserstabs 12 und der Pulsschalter 22, bei dem es sich um eine Bragg¹sehe Zelle handelt, sind auf der optischen Achse Y zentriert.

Wenn der Wandler 24 durch die HF-Quelle bei einer vorgewählten Frequenz erregt wird, wird eine Schallwelle 32 (Fig.2a) in der Bragg'sehen Zelle 22 erzeugt. Die Schallwelle 32 wandert von dem Wandler durch die Bragg'sehe Zelle mit der Schallgeschwindigkeit dieses Mediums hindurch, bis sie zu der opti-

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schen Achse Y gelangt. Es kann keine Rückkopplung auftreten, bis die Schallwelle den Scheitel 18 des Stab-Porro-Prismas

kreuzt. Wenn die Schallwelle 32 die optische Achse erreicht, beginnt die Rückkopplung der Lichtenergie; der Zeitpunkt des Auftretens dieses Ereignisses wird mit t=O bezeichnet. Zum Zeitpunkt t=1OO ns bewegt sich die Rückkopplungsfläche 33 von der optischen Achse ausgehend nach außen, wie in Fig. 2b gezeigt ist. Zur Zeit t=:2OO ns tritt Lasen auf. Die Rückkopplungsfläche 33 (Fig. 2c) überdeckt jedoch nicht vollständig die Öffnung des Laserstabs 12, und eine hohe Restinversion verbleibt am Außenrand des Laserstabs. Zur Zeit t=2OO ns breitet sich also die Rückkopplung 33 wie in Fig. 2d gezeigt zu Aperturbereichen des Stabes aus, die eine hohe Restinversion aufweisen, und es kann Nachlasen auftreten.

Der In Fig. 3 gezeigte schnelle akustooptische Pulslaser gleicht demjenigen nach Fig. 1, und gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Lasermedium kann Gas oder ein Festkörper sein, je nach der gewünschten Wellenlänge. Für eine Wellenlänge von 1 Mikron wird ein Stab 12 verwendet, der z.B.. aus Nd:YAG sein kann. Der Stab ist gemeinsam mit einer Blitzlampe 26 in einem Reflektorhohlraum 28 angeordnet. Die Blitzlampe 26 ist die optische Pumpenergiequelle für den Laserstab 12. Der Laserstab 12 ist in Längsrichtung zwischen den zwei Reflektoren 14 und 16 angeordnet, wobei seine Mittellinie den Resonanzwellen-Ausbreitungsweg X des Lasers 10 bildet. Die Reflektoren 14, 16 sind retroreflektierende Elemente, z.B. gekreuzte Porro-Prismen. Wenn der Reflektor 14 ein Porro-Prisma ist, ist es vorteilhaft, dieses mit seinem Scheitel 18 senkrecht zur Richtung der Schallausbreitung anzuordnen. Dadurch ergibt sich eine Faltwirkung, wodurch die effektive Durchgangszeit der Schallwellenfront halbiert wird. Der Reflektor 16 ist mit seinem Scheitel 20 parallel zur Richtung der Schallausbreitung angeordnet, so daß gekreuzte Porro-Prismen vorhanden sind.

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Ein schneller Pulsschalter 34 ist zwischen dem Porro-Prisma 16 und dem Ende des Lasers 12 angeordnet, das dem Ende des dem Stab zugewandten Porro-Prismas 14 gegenüberliegt. Der schnelle Pulsschalter 34 ist im wesentlichen eine Bragg'sehe Zelle mit einander gegenüberliegend angeordneten Wandlern 28 und 36, die an den gegenüberliegenden Enden angeordnet sind. Die Bragg'sehe Zelle kann z.B. eine Quarzplatte 38 oder eine geeignete Glasplatte sein, aus einem Material, das z.B. von Texas Instruments, Inc. unter der Bezeichnung "1173 Glas" in den Handel gebracht wird, und die Wandler 28, 36 können z.B. Stäbe aus Lithiuitmiobat (LiNbo) sein, die an den einander gegenüberliegenden Enden der Quarzplatte 38 befestigt sind, die senkrecht zu der Resonanzwellenachse X des Lasers sind.

Bei einer in Fig. 4 gezeigten Ausfuhrungsform der Erfindung ist eine HF-Quelle 40 einer Frequenz von z.B. etwa 100 MHz mit jedem der an der Bragg¹sehen Zelle 34 befestigten Wandler 28, 36 verbunden. Die Bragg'sehe Zelle 34 ist mit ihrer Mittellinie :
versetzt.

tellinie X gegen die optische Achse Y um einen Abstand (d)

Bei einer zweiten, in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform fällt die Mittellinie X der Bragg¹sehen Zelle 34 mit der optischen Achse Y zusammen, und zwei HF-Energiequellen 42, 44 mit einer Frequenz von z.B. 100 MHz sind mit einer Zeitverzögerungseinrichtung 46 und mit den Wandlern 28, 36 verbunden, die an der Bragg'sehen Zelle 34 befestigt sind. Die Verzögerungseinrichtung kann z.B. eine doppelte monostabile Kippschaltung sein, wie sie von Texas Instruments, Inc. unter der Bezeichnung SN54221 in den Handel gebracht wird. Durch ein Steuersignal aus einer (nicht gezeigten) Quelle wird die HF-Quelle 44 freigegeben. Das gleiche Steuersignal, jedoch durch die Zeitverzögerungseinrichtung verzögert, gibt die HF-Quelle 42 frei.

Bei beiden Ausführungsformen (Fig. 4 und 5) wird der zweite

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Wandler 36 dazu verwendet, eine Schallwelle mit einem Geschwindigkeitsvektor zu erzeugen, der dem des ersten Wandlers 28 entgegengesetzt und zeitlich so abgestimmt ist, daß er eine maximale Rückkopplung ergibt, wenn das Lasen auftritt. Bei der ersten Ausführungsform (Fig. 4) wird die zeitliche Abstimmung dadurch erhalten, daß die Mittellinie X der Bragg'sehen Zelle 34 um einen vorgewählten Betrag (d) gegen die optische Achse Y versetzt ist, wodurch der Schallausbreitungsweg des zweiten Wandlers 36 länger ist als der des ersten Wandlers 28, so daß er eine längere Zeit benötigt, um die optische Achse Y zu erreichen. Für ein Lasermedium mit einer Apertur von 5 mm und einer Bragg'sehen Zelle aus Quarz ist der Abstand (d) 1,25 mm. Bei der zweiten Ausführungsform (Fig. 5) fällt hingegen die Mittellinie X der Bragg'schen Zelle 34 mit der optischen Achse Y zusammen, und die Zeitverzögerungseinrichtung verzögert die Täcigkeit des zweiten Wandlers 36 um eine vorgewählte Zeitspanne gegenüber der Ansteuerung des ersten Wandlers. Für die vorstehend beschriebene Bragg'sehe Zelle 34 beträgt diese Zeit 420 ns.

Bei beiden Ausführungsformen erreicht die Schallwelle des ersten Wandlers 28, wie in Fig. 6a gezeigt ist, nach ihrer Erregung die optische Achse Y zur Zeit t , und gleichzeitig erreicht die Schallwelle aus dem Wandler 36 den Rand der Laserapertur. Rückkopplung tritt nur auf, wenn Schallwellen symmetrisch auf beiden Seiten der optischen Achse vorhanden sind. Zur Zeit t=1OO ns (Fig. 6b) breitet sich die Rückkopplung 33 aufgrund der ersten Schallwelle symmetrisch von der optischen Achse ausgehend nach außen aus, und die Rückkopplung 48, die sich aus der Kombination der ersten und der zweiten Schallwelle ergibt, breitet sich von den Rändern der Laserapertur ausgehend zur optischen Achse hin aus. Zur Zeit t=:2OO ns, wenn das Lasen auftritt, treffen sich die Schallwellen,und die Rückkopplung 33 bzw. 48 füllt die Apertur im wesentlichen vollständig aus, so daß das Lasen

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über die gesamte Apertur verbreitet erfolgt. Zur Zeit t=2OO⁺ ns (Fig. 6d) bilden sich schließlich Bereiche akustischer Interferenz, und in dem Stab 12 verbleibt nur eine geringe Restinversion. Infolgedessen tritt kein Nachlasen auf.

Der erste Wandler ist also in bezug auf den Schalter so angeordnet, daß der Gradient der Einhüllenden der in den Schalter eindringenden und sich darin ausbreitenden Schallenergie den Gradienten der ungleichförmigen Besetzungsinversion direkt in dem Lasermedium approximiert, während der zweite Wandler bezüglich des Schalters so angeordnet ist, daß die in diesen eingeleitete und sich darin ausbreitende Schallenergie einen Geschwindigkeitsvektor aufweist, der entgegengesetzt demjenigen des ersten Wandlers ist, und zeitlich so abgestimmt ist, daß beim Auftreten des Lasens eine maximale Rückkopplung vorhanden ist.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1/ Akustooptischer Pulslaser, gekennzeichnet durch folgende Elemente:

b) einen im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Lasermediums und von einem ersten Ende desselben beabstandeten Reflektor;

c) einen von dem zweiten Ende des Lasermediums beabstandeten Rückkopplungsreflektor;

d) eine Pumpeinrichtung zum Pumpen des Lasermediums; und

e) einen akustooptischen Schalter, der entlang der Längsachse des Lasermediums und um einen vorgewählten Winkel verdreht zu dieser zwischen dem zweiten Ende des Lasers und dem Rückkopplungsreflektor angeordnet ist, wodurch das Nachlasen des Lasermediums im wesentlichen beseitigt wird.
2. Pulslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustooptische Schalter einen Körper aus einem Schallwellen-Übertragungsmaterial sowie einen ersten und einen

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ORtQlNAL INSPECTED

zweiten Schallwellen-Generatormechanismus enthält, die wirkungsmäßig mit dem Körper des Schallwellen-Übertragungsmaterials verbunden sind, um darin Schallwellen zu erzeugen, derart, daß in dem Lasermedium für dessen Primärpuls eine Fläche mit im wesentlichen vollständiger Rückkopplung geschaffen wird.
3. Pulslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schallwellen-Generatormechanismus Wandler zum Umsetzen von elektrischen Signalen in Schallsignale in dem Körper des Schallwellen-Übertragungsmaterials sind und daß eine an die Wandler angeschlossene HF-Quelle vorgesehen ist.
4. Pulslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wandler mit den einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers des Schallwellen-Übertragungsmaterials verbunden sind.
5. Pulslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Schallwellen-Übertragungsmaterials eine Platte mit auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Wandlern ist.
6. Pulslaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus Schallwellen-Übertragungsmaterial mit ihrer Mittellinie um einen vorgewählten Abstand von der Längsachse des Lasermediums versetzt ist, derart, daß bei gleichzeitiger Ansteuerung der Wandler durch die HF-Leistungsquelle Schallwellen mit entgegengesetzten Geschwindigkeitsvektoren erzeugt und zeitlich so aufeinander abgestimmt werden, daß in dem Lasermedium für den Primärpuls eine Fläche mit im wesentlichen vollständiger Rückkopplung gebildet wird.

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7. Pulslaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus Schallwellen-Übertragungsmaterial mit ihrer Mittellinie zusammenfallend mit der Längsachse des Lasermediums angeordnet ist und daß die HF-Leistungsquelle eine erste und eine zweite HF-Quelle sowie eine Zeitverzögerungseinrichtung enthält, daß die erste HF-Quelle mit dem ersten Wandler und die zweite HF-Quelle mit dem zweiten Wandler und mit der Zeitverzögerungseinrichtung verbunden ist, wodurch die Wandler entgegengesetzte Schallwellen erzeugen, deren Geschwxndigkeitsvektoren zeitlich so abgestimmt sind, daß in dem Lasermedium für den Primärpuls eine Fläche mit im wesentlichen vollständiger Rückkopplung gebildet wird.
8. Pulslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Schallwellen-Übertragungsmaterials aus der aus Quarz und Glas bestehenden Gruppe gebildet ist.
9. Pulslaser nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wandler zur Erzeugung von Schallwellen aus Lithiumniobat gebildet sind.

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