DE69200510T2

DE69200510T2 - Multifokale in Rückwärtsrichtung betriebene Raman-Laser-Vorrichtung.

Info

Publication number: DE69200510T2
Application number: DE69200510T
Authority: DE
Inventors: Donald R Dewhirst; Robert D Stultz
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2012-02-15
Also published as: IL100617A; KR960000234B1; KR920017310A; EP0499262A2; EP0499262A3; NO303996B1; IL100617A0; DE69200510D1; JP2510371B2; NO920490D0; ES2061289T3; JPH0582916A; TR25816A; EP0499262B1; US5090016A; NO920490L

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung zum Erzeugen eines optischen Strahls von hoher Qualität und niedriger Divergenz, mit einer Wellenlänge, die gegenüber der eines optischen Eingangs-Pumpstrahles um die Stokes-Verschiebung infolge von stimulierter Raman- Streustrahlung (SRS) verschoben ist.

2. Beschreibung des einschlägigen Gebietes

Laserquellen werden für verschiedene Anwendungen benötigt, um kohärente Strahlen hoher Qualität bei einer Wellenlänge auszustrahlen, die das menschliche Auge nicht schädigt. Eine Wellenlänge von 1,54 Mikron hat sich allgemein als "augen-sicher" durchgesetzt. Es ist jedoch schwierig, einen Laserstrahl dieser Wellenlänge mit herkömmlichen Lasern direkt zu erzeugen.
Ein Nd:YAG-Laser, wie er weithin in Gebrauch ist, kann einen Strahl von hoher Qualität von 1,06 Mikron erzeugen, der sich somit außerhalb des augen-sicheren Bereiches befindet. Raman-Laseranordnungen, die die Stokes-Verschiebung in einem Raman-Streumedium ausnutzen, können verwendet werden, um eine Laserstrahlung von einer Wellenlänge in eine längere Wellenlänge umzusetzen. Methan ist ein Raman- Medium, das eine schwingende Stokes-Frequenzverschiebung von 2916 cm&supmin;¹ aufweist, und es somit ermöglicht, einen Strahl von 1,06 Mikron in einen Strahl von 1,54 Mikron umzuwandeln. Diese Umwandlung kann so bewerkstelligt werden, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 4,821,272 mit dem Titel "SINGLE MIRROR INTEGRAL RAMAN LASER" beschrieben ist, die am 11. April 1989 im Namen von H. Brusselbach u.a. herausgegeben wurde und auf den selben Übertragungsempfänger wie die vorliegende Anmeldung übertragen wurde.
Eine Raman-Streuung eines optischen Eingangsstrahls in einem geeigneten Medium erzeugt sowohl sich vorwärts wie auch sich rückwärts ausbreitende SRS-Wellen, wie dies in dem grundlegenden Werk über stimulierte Raman-Streustrahlung beschrieben ist, in "Tunable Lasers", von J. C. White, Springer Series Topics in Applied Physics, Vol. 59, Springer, Berlin, Heidelberg, 1987, Seiten 115 bis 207. Die in dem Brusselbach-Patent beschriebene Vorrichtung ist als "Raman-Halbresonator" bekannt, und erzeugt ein Raman-verschobenes Ausgangssignal, das die vorwärts gerichtete SRS-Welle ausnutzt. Die Divergenz des Strahles bei einem derartigen Laser ist in der Größenordnung vom Doppelten der Divergenz des Pumpstrahles, was bei bestimmten Anwendungen unerwünscht ist.
Die rückwärts gerichtete SRS-Welle wird in den Eingangs- Pumpstrahl retro-reflektiert. Dies verinindert die Anzahl der optischen Elemente, die die Ausrichtung des Ausgangsstrahles bei einem Rückwärts-Raman-Laser beeinträchtigen. Darüberhinaus verkoppelt sich eine Rückwärts-SRS- Welle nicht parametrisch mit der Anti-Stokes-Strahlung, wohingegen die Vorwärts-SRS-Welle dies tut. Diese Verkopplung der SRS-Welle mit Anti-Stokes verursacht angeblich eine effektive Verminderung in der Verstärkung für die Moden niedrigerer Ordnung der Vorwärts-SRs-Welle und erhöht daher die Divergenz des Vorwärts-Raman-Strahls, wie beispielsweise in einer Veröffentlichung von Perry u.a. erörtert wird "Stimulated Raman Scattering With a Tightly Focused Pump Beam", Optics Letters, Vol. 10, Nr. 3, 146 (1985).
EP-A-0 393 528 beschreibt eine Laservorrichtung, die ein Raman-verschobenes Ausgangssignal erzeugt, das die rückreflektierte Vorwärts-SRS-Welle ausnutzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung entsprechend Patentanspruch 1 stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, die gegenüber einem Rückwärts- SRS-Laser mit einfachem Brennpunkt verbessert ist, in dem mindestens ein weiterer Brennpunkt im Raman-Medium vorgesehen wird, um eine Rückwärts-SRS-Welle zu erzeugen, die sich rückwärts in den ersten Brennpunkt ausbreitet, um als Verursacher für SRS zu wirken. Der anregende Strahl hat eine Intensität, die weit größer ist als die Anregung infolge spontaner Raman-Streuung im ersten Brennpunkt. Dieser anregende Strahl steht in Wechselwirkung mit und wird verstärkt durch den Pumpstrahl im ersten Brennpunkt und erzeugt ein Ausgangssignal einer Rückwärts-SRS- Welle mit größerem Umwandlungs-Wirkungsgrad, als man dies mit einem einfachen Brennpunkt erreichen kann. Die vorliegende Erfindung kann darüberhinaus effizient bei wesentlich niedrigerer Pump-Eingangsleistung ausgeführt werden, verglichen mit einem Rückwärts-SRS-Laser mit einfachem Brennpunkt. Die vorliegende Erfindung hat darüberhinaus die Vorteile des Rückwärts-SRS-Lasers mit einfachem Brennpunkt in der Hinsicht, daß die Empfindlichkeit gegenüber optischer Fehlausrichtung vermindert ist und der Ausgangsstrahl eine niedrige Divergenz aufweist, die vergleichbar mit dem Pumpstrahl ist.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt:
a) ein Pumplaser-Mittel zum Erzeugen eines optischen Pumpstrahles,
b) Raman-Zellmitteln zum Durchtritt des Pumpstrahles;
c) ein erstes Fokussiermittel, das in geeigneter Weise angrenzend an die Raman-Zellmittel angeordnet ist, um den optischen Pumpstrahl in die Raman-Zelle auf einen ersten Brennpunkt zu fokussieren, in dem eine erste Vorwärts-SRS- Welle und eine erste Rückwärts-SRS-Welle erzeugt werden;
d) ein zweites Fokussiermittel, das in geeigneter Weise an den ersten Brennpunkt angrenzend angeordnet ist, um das Ausgangssignal von dem ersten Brennpunkt zu einem zweiten Brennpunkt zu refokussieren, wo eine zweite Vorwärts-SRS- Welle und eine zweite Rückwärts-SRS-Welle erzeugt werden, wobei die zweite Rückwärts-SRS-Welle sich rückwärts ausbreitet und die Erzeugung der ersten Rückwärts-SRS-Welle anregt, um auf diese Weise die Energie des Ausganges der ersten Rückwärts-SRS-Welle aus den Raman-Zellmitteln zu erhöhen;
e) ein Ausgangsmittel, das zwischen den Pumplaser-Mitteln und den Raman-Zellmitteln angeordnet ist, um die erste Rückwärts-SRS-Welle aus der Vorrichtung zu lenken.
Der erste und zweite und weitere Brennpunkte können in der selben oder getrennten Raman-Zellen angeordnet sein.
Diese und andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlich, in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Rückwärts- Raman-Laservorrichtung mit zwei Brennpunkten gemäß einem bevorzugten Ausfühuungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Darstellung zur Illustrierung der Teilwellen der Raman-Laservorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Rückwärts- Raman-Laservorrichtung mit zwei Brennpunkten und zwei Zellen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Vergleich mit dem Stand der Technik;
Fig. 5 und 6 sind Diagramme zur Darstellung der Strahldivergenz von Teilwellen in der vorliegenden Laservorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Betriebsweise bei niedriger bzw. hoher Puls-Wiederholfrequenz;
Fig. 7 ist ein Diagramm zum Illustrieren der Rückwärts-Raman- Energie einer Raman-Laser-Vorrichtung mit zwei Brennpunkten und zwei Zellen gemäß Fig. 3, im Vergleich zu einem Laser mit einfachem Brennpunkt; und
Fig. 8 und 9 sind Histogramme zum Erläutern der Energien von Teilwellen in einem Rückwärts-Raman-Laser mit drei Brennpunkten gemäß der vorliegenden Erfindung als Funktion der Eingangs-Laser-Pumpstrahlenergie ohne bzw. mit einem kubischen Eckenreflektor.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Fig. 1 stellt eine Rückwärts-Raman-Laservorrichtung mit einer Zelle und zwei Brennpunkten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und einen Pumplaser 12 umfaßt, um einen kohärenten optischen Pumpstrahl 14 zu erzeugen. Obwohl die Erfindung nicht auf einen Betrieb bei einer bestimmten Wellenlänge beschränkt ist, wählt man als Laser 12 zur Erzeugung eines augen-sicheren Ausgangsstrahls von 1,54 Mikron typischerweise einen Q-geschalteten Nd:YAG-Laser, der den Pumpstrahl 14 bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikron erzeugt. Die vorliegende Erfindung kann mit jeglichem Laser verwendet werden, von dem bekannt ist, daß man ihn in Verbindung mit Raman- Zellen und jedwedem Raman-Medium einsetzen kann.
Der Laser 12 ist so angeordnet, daß der Pumpstrahl 14 sich zunächst durch einen ersten Raman-Zellenbrennpunkt 34 und einen zweiten Raman-Zellenbrennpunkt 36 in einer Raman-Zelle 16 ausbreitet. Wie allgemein üblich soll die Ausbreitung von links nach rechts in der Figur als eine Ausbreitung in Vorwärtsrichtung betrachtet werden, während eine Ausbreitung von rechts nach links als Ausbreitung in Rückwärtsrichtung anzusehen ist.
Die Zelle 16 ist mit einem Raman-Medium 20 gefüllt, das einen SRS-Effekt erzeugt. Flache Fenster 21 und 23 sind vorgesehen, um das Raman-Medium in der Zelle 16 zu halten. Als bevorzugtes Medium zum Erzeugen eines augen-sicheren Ausgangsstrahles von 1,54 Mikron wird unter Druck stehendes Methangas bevorzugt, obwohl Deuterium, das eine schwingende Stokes-Frequenzverschiebung von 2991 cm&supmin;¹ aufweist, ebenfalls einsetzbar wäre.
Im Fall, daß das Medium 20 Methangas ist, wird es bei einem Druck im Bereich von ungefähr 600 bis 1000 Pfund pro Quadratzoll (psig) oder 42,2 bis 70,3 Kilogramm pro Quadratzentimeter (kg/cm²) gehalten. Dieser Wert ist gewählt, um SRS zu fördern und stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) zu unterdrücken. Die SRS- Verstärkung wird bei Drücken unterhalb von 600 psig unzureichend, wohingegen die SBS-Verstärkung bei Drücken oberhalb von 1000 psig exzessiv wird. Ein Betrieb bei erhöhten Puls-Wiederholfrequenzen (PRF) kann erleichtert werden, indem das Medium 20 an den Brennpunkten 34 und 36 mittels einer Gas-Umwälzeinheit 24 umgewälzt wird. Weil die gesamte SRS im wesentlichen am ersten Brennpunkt 34 stattfindet, reicht es normalerweise aus, das gasförmige Raman-Medium 20 nur am ersten Brennpunkt 34 umzuwälzen.
Eine konvergierende Linse 26 fokussiert den Pumpstrahl 14 in die erste Zelle 16, um eine ausreichende Intensität zu erzeugen, die den Raman-Schwellwert in der Zelle 16 übersteigt und das Auftreten von SRS ermöglicht. Eine zweite Linse 28 refokussiert den Pumpstrahl 14 innerhalb der Zelle 16. Eine dritte Linse 32 re-kollimiert den Strahl nach Durchtritt in Vorwärtsrichtung durch die Zelle 16.
Die nachfolgende Erörterung der Ausbreitung von Wellen in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mag unter Hinweis auf Fig. 2 erleichtert werden, wo ein Diagramm dargestellt ist, das die Teilwellen illustriert, die in der vorliegenden Vorrichtung 10 erzeugt werden. Vorwärts- und Rückwärts-SRS-Wellen werden in Wechselwirkungszonen an den Brennpunkten 34 bzw. 36 des Pumpstrahles 14 erzeugt. Gemäß der vorliegenden Erfindung breitet sich die Rückwärts-SRS-Welle, die am Brennpunkt 36 in der Raman-Zelle 16 erzeugt wurde, in Rückwärts-Richtung aus und wirkt als Verursacher für eine Rückwärts-SRS am Brennpunkt 34. Die Intensität der rückwärtigen Anregung ist bei weitem größer als die spontane Raman-Streuung im Brennpunkt 34 und die Rückwärts- SRS-Welle wird daher im Brennpunkt 34 durch Wechselwirkung der Rückwärts-Verursachung mit dem Pumpstrahl 14 verstärkt. Im Fall, daß das Raman-Medium 20 Methangas ist und die Wellenlänge des Pumpstrahles 14 1,06 Mikron beträgt, hat die Rückwärts-SRS-Welle die augen-sichere Wellenlänge von 1,54 Mikron wegen der schwingenden Stokes-Verschiebung, die durch die SRS verursacht wurde. Eine verbesserte Wirkungsweise wird erleichtert, indem man den Abstand zwischen den Brennpunkten 34 und 36 und damit die Übergangszeit dazwischen soweit als möglich vermindert.
Die Rückwärts-SRS-Welle, die den Ausgangsstrahl der Vorrichtung 10 darstellt und in Fig. 1 mit 38 bezeichnet ist, wird mittels eines Ausgangsmittels ausgekoppelt, beispielsweise einem dichroitischen Strahlenteiler 40, der den Ausgangsstrahl 38 außerhalb des Apparates 10 richet, um ihn dann für die gewünschte Anwendung einsetzen zu können. Der Strahlenteiler 40 ist ein herkömmliches, auf Wellenlänge empfindliches optisches Element, das so ausgebildet ist, daß es den 1,06 Mikron Pumpstrahl 14 hindurchieitet, den 1,54 Mikron Rückwärts-SRS-Strahl hingegen als Ausgangsstrahl 38 davon reflektiert. Die Rückwärts-SRS-Welle wird intern zurück retro-reflektiert und zwar in Richtung des Pumpstrahles 40 in der Welle 16, ungeachtet einer Bewegung oder Fehlausrichtung von dazwischenliegenden optischen Elementen. Dies vermeidet, daß-die optischen Elemente der Raman-Zelle die Ausrichtung des Ausgangsstrahles beeinträchtigen, wodurch die Konstruktion vereinfacht wird und die Herstellkosten der Vorrichtung vermindert werden. Darüberhinaus hat der Ausgangsstrahl 38 eine niedrige Divergenz, größenordnungsmäßig 1,3 mal weniger als Divergenz des Pumpstrahles 14, verglichen mit einem Faktor 2 einer Raman-Anordnung mit Halbresonator nach dem Stand der Technik.
Die Vorwärts-SRS-Welle, die in der Zelle 16 erzeugt wurde, kann ungenutzt bleiben und aus der Vorrichtung 10 von der Zelle 16 austreten oder kann durch bekannte Mittel (nicht dargestellt) absorbiert werden. Als bevorzugte Alternative wird die Vorwärts- SRS-Welle jedoch reflektiert und zwar in einer rückwärtigen Richtung durch die Zelle 16 hindurch, um den verursachenden Rückwärts-SRS-Strahl zu verstärken. Diese Funktion kann durch einen Reflektor ausgeübt werden, beispielsweise eine kubische Ecke 42, die stromabwärts der Zelle 16 in Vorwärtsrichtung angeordnet ist. Die bevorzugte Stellung der kubischen Ecke 42 ist so nah wie möglich zum benachbarten Ende der Zelle 16, obwohl sich die Wirkungsweise nicht wesentlich verschlechtert, wenn der Kubus 42 von der Zelle 16 um eine geringfügige Entfernung weg bewegt wird.
Die Rückwärts-SRS-Polarisierung ist identisch mit der Polarisierung des Pumpstrahles, obwohl die kubische Ecke 42 die Vorwärts- SRS-Welle depolarisiert. Dies verdeutlicht, daß die Raman- Umwandlung nahezu vollständig als Rückwärts-SRS auftritt. Nur die wie der Pumpstrahl 14 polarisierte, anregende Raman-Komponente hat eine Verstärkung. Es liegt innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung, die kubische Ecke 42 durch einen andersartigen Reflektor auszutauschen, beispielsweise einen Planspiegel (nicht dargestellt). Dies führt zu einem noch höheren Wirkungsgrad der Raman-Umwandlung, weil ein Planspiegel den Rückkopplungsstrahl nicht depolarisiert.
Ein Pumpstrahl-Auslaß in Gestalt eines dichroitischen Strahlenteilers 44 ist zwischen der Zelle 16 und der kubischen Ecke 42 angeordnet, um zu vermeiden, daß ein verbleibender oder verarmter Pumpstrahl, hier mit 46 bezeichnet, wieder in die Zelle 16 und den Pumplaser 12 eintritt. Der Strahlenteiler 44 arbeitet nach dem selben Prinzip wie der Strahlerteiler 40 und ist so ausgelegt, daß er den 1,54 Mikron Vorwärts-SRS-Strahl durchläßt und den 1,06 Mikron verarmten Pumpstrahl 46 außerhalb der Vorrichtung 10 reflektiert. Wenn die kubische Ecke 42 nicht verwendet wird, ist der Pumpstrahl-Auslaß nicht erforderlich.
Weitere Elemente können eingesetzt werden, um die Wirkungsweise der Vorrichtung 10, wie in Fig. 1 dargestellt, zu erleichtern. Ein optischer Isolator, insgesamt mit 48 bezeichnet, kann vorgesehen werden, um zu verhindern, daß eine in der Zelle 16 erzeugte SBS-Welle sich in Rückwärtsrichtung in den Pumplaser 12 ausbreitet. Die Einheit 48 kann einen Polarisierer 52 und eine λ/4-Platte 54 umfassen. Die Art der Isolierung ist auf diese speziellen Mittel nicht beschränkt und kann andere bekannte Isoliermittel einschließen, beispielsweise einen Polarisierer und eine Faraday-Rotator-Kombination. Der Pumpstrahl 14 ist anfänglich linear polarisiert und durchsetzt so den Polarisierer 52. Die Polarisierung des Pumpstrahles 14 wird in eine zirkulare Polarisation mittels der λ/4-Platte 54 umgewandelt. Die Polarisierung der sich in Rückwärtsrichtung ausbreitenden SRS-Welle 50 ist ebenfalls zirkular polarisiert, aber in entgegengesetzter Richtung. Sie wird daher orthogonal zu derjenigen des Pumpstrahles 14, nach Durchgang durch die λ/4-Platte. Die SBS-Welle 15 wird auf diese Weise durch den Polarisierer außerhalb der Vorrichtung 10 reflektiert.
Obwohl die Vorrichtung gemäß Fig. 1 zwei Brennpunkte aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Weise eingeschränkt und kann drei oder mehr Brennpunkte in einer einzigen Raman-Zelle umfassen.
Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 60 bezeichneten Raman-Laservorrichtung, die zwei Zellen und zwei Brennpunkte umfaßt. Es werden dabei die gleichen Bezugszeichen für Elemente verwendet, die in den Fig. 1 und 2 gleich sind. Fig. 3 unterscheidet sich von Fig. 1 nur dadurch, daß die einzige Raman-Zelle 16 in Fig. 1 durch zwei Raman-Zellen 16' und 18 ersetzt sind, die mit Raman-Medien 20' und 22 gefüllt sind. Flache Fenster 21' und 23' in der Zelle 16' und flache Fenster 25 und 27 in der Zelle 18 sind vorgesehen, um das Raman-Medium in der jeweiligen Zelle zu halten. Ein Brennpunkt 34 befindet sich in der Zelle 16' und ein Brennpunkt 36 befindet sich in der Zelle 18. Zusätzlich ist die Linse 28 in der Zelle 16 in Fig. 1 ersetzt durch Linsen 28' und 30 in Fig. 3. Die Linse 28' re-kollimiert den Strahl nach Durchgang durch die Zelle 16'.
Die Linse 30 fokussiert den Strahl in die Zelle 22. Die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist die gleiche wie die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1, wie vorstehend beschrieben.
Obwohl die Vorrichtung gemäß Fig. 3 so dargestellt ist, daß sie nur die zwei Raman-Zellen 16' und 18 umfaßt, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und, obwohl nicht im einzelnen dargestellt, können auch drei oder mehr Raman-Zellen vorgesehen sein, und zwar mit einem Brennpunkt in jeder der Zellen. Darüberhinaus, obwohl die Zellen in Fig. 3 so dargestellt sind, daß sie in einer Reihe angeordnet sind, können sie alternativ auch in einer abgeknickten oder seitlich versetzten (Periskop) Konfiguration angeordnet sein, obwohl dies nicht dargestellt ist.
Rückwärts-Raman-Anordnungen mit zwei und drei Brennpunkten gemäß der vorliegenden Erfindung wurden unter Verwendung von Methangas als Raman-Medium bei Befüllungsdrücken von 400 bis 1000 psig (28,1 bis 70,3 kg/cm²) erprobt. Ein Betrieb bei vermindertem Druck senkte die Raman-Verstärkung, reduzierte jedoch die SBS- Verstärkung in größerem Umfang, weil ein reduzierter Druck den Wettbewerb von SBS vermindert. Befüllungsdrücke von 600 psig (42,2 kg/cm²) waren ausreichend für eine wirkungsvolle Raman- Umwandlung. Ein Wirkungsgrad der Umwandlung von 35 % wurde bei Versuchen mit Methan erreicht.
Eine Konfiguration mit zwei Brennpunkten und einer Zelle wurde bei 10 Hz mit einer Gasumwälzung nur am ersten Brennpunkt betrieben, wie in Beispiel 1 erörtert. Die Wirkungsweise bei 10 Hertz war vergleichbar zu der bei niedriger PRF (1 Hz), obwohl das Gas am zweiten Brennpunkt nicht umgewälzt wurde. Dies zeigt, daß die Raman-Umwandlung praktisch vollständig am ersten Brennpunkt stattfindet. Die Versuchsdaten sind in Fig. 4, 5 und 6 dargestellt, die in Beispiel 1 erörtert werden. Eine Konfiguration mit zwei Brennpunkten und zwei Zellen wurde, wie in Beispiel 2 erörtert, erprobt. Die Testdaten sind in Fig. 7 dargestellt, wie in Beispiel 2 erörtert wird.
Eine Rückwärts-Raman-Konfiguration mit drei Brennpunkten und einer Zelle wurde ebenfalls getestet, wie in Beispiel 3 erörtert, unter Verwendung von Deuterium als Raman-Medium, bei einem Druck von 2000 psig oder 140,6 kg/cm². Die schwingende Stokes-Verschiebung für Deuterium ist 2991 cm&supmin;¹, praktisch die selbe wie die von Methan (2916 cm&supmin;¹), so daß eine Laservorrichtung, die Deuterium verwendet, ebenfalls in der Lage ist, einen augensicheren Ausgangsstrahl als Antwort auf einen Pumpstrahl von 1,06 Mikron zu erzeugen. Der Zweck dieser Versuche war die Verminderung von SBS. Die SBS-Verstärkung bezogen auf SRS ist niedrig im Falle von Deuterium und in den Versuchen wurde nur wenig SBS aufgefunden. Das Problem mit Deuterium ist, daß die Raman-Verstärkung nur halb so groß wie die von Methan ist. Die Anordnung mit drei Brennpunkten und höherem Druck hebt die reduzierte Verstärkung teilweise auf. Die gemessene SBS war klein im Vergleich zu der von Versuchen mit Methan, aber die Raman-Verstärkung war nicht gerade ausreichend, um den Wirkungsgrad der Umwandlung von Methan zu erreichen. Wirkungsgrade der Umwandlung in der Größenordnung von 30 % wurden bei Versuchen mit Deuterium erreicht. Die Testdaten sind in Fig. 8 und 9 dargestellt und werden in Beispiel 3 erörtert.
Praktische Beispiele der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:

BEISPIEL 1

Eine Vorrichtung, wie in Fig. 1 dargestellt, wurde hergestellt und erprobt, und bestand aus einer einfachen Raman-Zelle mit zwei Brennpunkten. Die Pump-Eingangsenergie betrugt 163 Millijoules (mJ) mit einer Pulsbreite von 17 Nanosekunden und einer PRF von 10 Hz. Die Gas-Zelle wurde mit 1000 psig (70,3 kg/cm²) von Methan gefüllt. Das Gas am ersten Brennpunkt 34 wurde umgewälzt, aber die Bauart und Konstruktion der Vorrichtung gestattete keine Umwälzung des Gases am zweiten Brennpunkt 36. Die f/Nummern der Brennpunkte 34 und 36 waren F/33 bzw. F/20. Bei Verwendung der kubischen Ecke betrug der Rückwärts-Raman- Ausgang 55 mJ und die SBS-Energie betrug 47 mJ. Ohne die kubische Ecke betrug der Rückwärts-Raman-Ausgang 40 mJ und der für SBS betrug 57 mJ.
Fig. 4 zeigt die Wirkungsweise der vorliegenden Vorrichtung mit zwei Brennpunkten von Fig. 1 (2-Fokus) im Vergleich mit einem Raman-Halbresonator nach dem Stand der Technik (bezeichnet als "1/2 Resonator") mit Bezug auf die Pumpwelle. Die horizontale Achse bezeichnet den vollen Divergenzwinkel in Milliradian (mrad) im Fernfeld. Die vertikale Achse bezeichnet den Anteil der gesamten Energie des 1,54 Mikron Strahles oder Welle, der in dem zugehörigen Fernfeld-Winkel enthalten ist. Man kann aus Fig. 4 erkennen, daß ein größerer Anteil der gesamten Energie der vorliegenden Rückwärts-SRS-Welle in einem kleineren Winkel als bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik enthalten ist. Dies ist ein Maß der Strahldivergenz und deutet darauf hin, daß ein niedriger und daher wünschenswerterer Wert der Strahldivergenz mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann, verglichen mit der Anordnung nach dem Stand der Technik.
Die Fig. 5 und 6 sind ähnlich Fig. 4, zeigen jedoch die Divergenzen des Pumpstrahles und des Rückwärts-SRS-Strahles der vorliegenden Anordnung bei niedriger PRF (weniger als 1 Hz) bzw. bei 10 Hz. Obwohl die Strahldivergenz mit der PRF zunimmt, sind die Ergebnisse für viele praktische Anwendungen auch bei 10 Hz noch akzeptabel. Diese Erhöhung liegt an den Turbulenzen, die dadurch verursacht wurden, daß das Gas am zweiten Brennpunkt nicht umgewälzt wurde. Eine Umwälzung des Gases am zweiten Brennpunkt sollte die Strahldivergenz bei 10 Hz reduzieren.

BEISPIEL 2

Eine Vorrichtung, wie in Fig. 3 dargestellt, wurde konstruiert und erprobt, bestehend aus zwei Gaszellen mit Methangas bei 850 psig (59,8 kg/cm²) als Raman-Medium in beiden Zellen. Nur das Gas in der ersten Zelle wurde umgewälzt. Die Linsen 26 und 28' hatten Brennweiten von 200 Millimetern (mm), und fokussierten den Pumpstrahl 14 in die erste Raman-Zelle 16' mit einer f/Zahl von F/33. Die Linsen 30 und 32 hatten Brennweiten von 125 mm, und fokussierten den Pumpstrahl 14 in die zweite Raman-Zelle 18 mit einer f/Nummer von F/20. Die Energie des Eingangs- Pumpstrahles 14 betrug 155 mJ, bei einer PRF von 10 Hz.
Die Energien der Teilstrahlen in der Vorrichtung wurden wie folgt gemessen:
Rückwärts-SRS (Ausgang) - 52 mJ
verarmte Pumpe - 36 mJ
Vorwärts-SRS zwischen den Zellen - 9 mJ
SBS - 26 mJ.
Vergleichende Messungen wurden unter Weglassung der kubischen Ecke 42 ausgeführt, und zwar bei der selben Eingangs-Pumpenergie von 155 mJ. Die Energien der Teilstrahlen betrugen wie folgt:
Rückwärts-SRS (Ausgang) - 38 mJ
verarmte Pumpe - 39 mJ
Vorwärts-SRS zwischen den Zellen - 11 mJ
SBS - 39 mJ.
Man erkennt daraus, daß die kubische Ecke 42 das gewünschte Ergebnis, die Rückwärts-SRS-Energie zu erhöhen und gleichzeitig die SBS-Energie zu vermindern, erbrachte.
Fig. 7 ist eine Diagramm-Darstellung der Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 3 (bezeichnet als "2-Fokus"), verglichen mit einer Rückwärts-Raman-Anordnung mit einem Brennpunkt, entstanden aus einer Weglassung der zweiten Raman-Zelle 18 (bezeichnet als "1-Fokus"). Eine kubische Ecke wurde sowohl bei der 1-Fokus wie auch der 2-Fokus Konfiguration verwendet, um die Vorwärts-SRS zu reflektieren. Man kann aus Fig. 7 erkennen, daß die Rückwärts-SRS als Funktion der Pumpstrahl- Energie wesentlich größer für die vorliegende Konfiguration mit zwei Brennpunkten ist als für diejenige mit einem Brennpunkt.

BEISPIEL 3

Eine Laservorrichtung mit einer einfachen Raman-Zelle mit drei Brennpunkten wurde gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt. Die Zelle enthielt Methan bei 600 psig (42,2 kg/cm²). Ein Pumpstrahl wurde in die Zelle mit f/Nummern von F/48, F/47 und F/31 fokussiert. Die Fig. 8 und 9 illustrieren die Ausgangsenergien der Teilstrahlen als Funkion der Eingangs-Laser-Pumpstrahlleistung, ohne bzw. mit kubischer Ecke. Man erkennt, daß die Energie der Rückwärts-SRS-Welle, die das Ausgangssingal der Vorrichtung darstellt, wesentlich erhöht wurde, verglichen mit der Energie der SBS-Welle, wenn die kubische Ecke hinzugefügt wurde. Darüberhinaus führte der niedrigere Druck des Methans zu einer Verminderung der SBS, während der Wirkungsgrad der Raman-Umwandlung als Ergebnis der Hinzufügung eines dritten Brennpunktes gut war.
Obwohl verschiedene illustrierende Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, sind zahlreiche Veränderungen und andere Ausführungsbeispiele für den Durchschnittsfachmann erkennbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die speziell beschriebenen und illustrierenden Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Zahlreiche Abwandlungen können daher betrachtet werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, die durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist.

Claims

1. Laser-Vorrichtung für stimulierte Raman-Streustrahlung (SRS) mit:

a) einem Pumplaser-Mittel (12) zum Erzeugen eines optischen Pumpstrahles (14),

b) Raman-Zellmitteln (16; 16', 18) zum Durchtritt des Pumpstrahles (14);

c) einem ersten Fokussiermittel (26), das in geeigneter Weise angrenzend an die Raman-Zellmittel (16; 16', 18) angeordnet ist, um den optischen Pumpstrahl (14) in die Raman-Zelle (16; 16', 18) auf einen ersten Brennpunkt (34) zu fokussieren, in dem eine erste Vorwärts-SRS-Welle und eine erste Rückwärts-SRS-Welle erzeugt werden;

d) einem Ausgangsmittel, das zwischen dem Pumplaser- Mittel (12) und den Raman-Zellmitteln (16; 16', 18) angeordnet ist, um die erste Rückwärts-SRS-Welle (38) aus der Vorrichtung (10; 60) zu lenken;

gekennzeichnet durch:

e) ein zweites Fokussiermittel (28; 28', 30), das in geeigneter Weise an den ersten Brennpunkt (34) angrenzend angeordnet ist, um das Ausgangssignal von dem ersten Brennpunkt (34) zu einem zweiten Brennpunkt (36) in den Raman-Zellmitteln zu refokussieren, wo eine zweite Vorwärts-SRS-Welle und eine zweite Rückwärts-SRS-Welle erzeugt werden, wobei die zweite Rückwärts-SRS-Welle sich rückwärts ausbreitet und die Erzeugung der ersten Rückwärts-SRS-Welle anregt, um auf diese Weise die Energie des Ausganges der ersten Rückwärts-SRS-Welle aus den Raman-Zellmitteln (16; 16', 18) zu erhöhen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Brennpunkt, das zweite Fokussiermittel (28) und der zweite Brennpunkt (36) in einem der Raman-Zellmittel (16) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Raman-Zellmittel (18), das für eine Ausbreitung des Ausgangssignales von dem Raman-Zellmittel (16) durch es hindurch angeordnet ist, wobei das zweite Fokussiermittel (28, 30) so angeordnet ist, daß sich der zweite Brennpunkt (36) innerhalb des zweiten Raman-Zellmittels (18) befindet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein drittes Fokussiermittel, das in geeigneter Weise angrenzend an den zweiten Brennpunkt angeordnet ist, um das Ausgangssignal des zweiten Brennpunktes auf einen dritten Brennpunkt zu refokussieren, in dem eine dritte Vorwärts- SRS-Welle und eine dritte Rückwärts-SRS-Welle erzeugt werden, wobei die dritte Rückwärts-SRS-Welle sich rückwärts ausbreitet und die Erzeugung der zweiten Rückwärts-SRS-Welle anregt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel ein dichroitisches Strahlenteilermittel (40) umfaßt, das den Pumpstrahl (14) hindurchleitet und die erste Rückwärts-SRS-Welle davon reflektiert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Reflektormittel (42) zum Reflektieren der ersten Vorwätts-SRS-Welle und der zweiten Vorwärts-SRS-Welle zurück durch das Raman-Zellmittel (16; 16', 18), um die optische Verstärkung darin zu erhöhen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein optisches Isoliermittel (48) für stimulierte Brillouin-Streustrahlung (SBS), das zwischen dem Pumplasermittel (12) und dem Raman-Zellmittel (16; 16', 18) angeordnet ist, um außerhalb der Vorrichtung (10; 60) eine SBS-Welle (50) zu führen, die in dem Raman-Zellmittel (16; 16', 18) erzeugt wurde und sich von ihr zum Pumplaser-Mittel (12) ausbreitet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Pumpstrahlen-Auslaßmittel zum Führen des Pumpstrahles (14) außerhalb der Vorrichtung (10; 60) nach dessen Durchtritt durch das Raman-Zellmittel (16; 16', 18).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Raman-Zellmittel (16; 16', 18) ein gasförmiges Raman-Medium (20; 20', 22) enthält, bei einem Druck, der zur Förderung von SRS und zum Unterdrücken von stimulierter Brillouin-Streustrahlung (SBS) ausgewählt wurde.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Raman-Medium (20; 20', 22) einen Werkstoff umfaßt, der aus der Gruppe, bestehend aus Methan und Deuterium ausgewählt wurde.