DE69202401T2

DE69202401T2 - Ramanlaser.

Info

Publication number: DE69202401T2
Application number: DE69202401T
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Chiquier; Frederique Garcia; Pierre Pinson; Daniel Vincent
Original assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Current assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: CA2070850A1; CA2070850C; DE69202401D1; EP0518735B1; JP3061479B2; JPH05211377A; EP0518735A1; FR2677500A1; ATE122503T1; FR2677500B1; US5265106A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Laser, der eine durch Stimulation eines einen Raman-Effekt erzeugenden Mediums erhaltene Strahlung abgibt.
Bekanntlich besteht ein Raman-Effekt-Laser aus einem Pumplaser, der eine Strahlung mit einer ersten optischen Frequenz zur Anregung eines Mediums abgibt, das durch Raman-Effekt eine zweite Strahlung mit einer zweiten Frequenz erzeugt, deren Wert sich von dem der ersten Frequenz unterscheidet.
Der Pumplaser besteht gewöhnlich aus einem ersten Resonanzraum mit einem verstärkenden optischen Medium, der auf einer Seite durch einen ersten vollständig reflektierenden Spiegel begrenzt wird, während auf der anderen Seite ein Teil der Strahlung durch einen zweiten teildurchlässigen Spiegel austreten kann. Durch den Reflexionsgrad dieses zweiten Spiegels wird der Gütekoeffizient dieses ersten Resonanzraums bestimmt. Ein optischer Güteschalter, der im Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln angeordnet ist, dient dazu, die Auslösung des Pumplasers solange zu verzögern, bis das Laser-Effekt-Medium genügend Energie erhalten hat. Dadurch wird eine Auslösung mit steilerer Front ermöglicht. Dieser optische Güteschalter kann ein Körper sein, dessen Durchlaßgrad elektrisch gesteuert wird, oder aber ein sättigbarer absorbierender Körper, der bei Erhalt einer bestimmten optischen Energie durchlässig wird.
Das Raman-Effekt-Medium ist gewöhnlich ein Gas unter Druck, wie Methan, das in einer Zelle enthalten ist, die durch zwei einander gegenüberliegende Fenster begrenzt wird. Die erste Strahlung gelangt über das eine der Fenster in die Zelle und erzeugt hier durch Raman-Effekt die zweite Strahlung. Eine konvergente Optik zwischen dem Pumplaser und der Zelle dient dazu, diese erste Strahlung zu bündeln, so daß sich deren Dichte in einem begrenzten Raum des Raman-Effekt-Mediums erhöht und der Umwandlungsgrad der optischen Energie damit verbessert wird.
Eine solche Anordnung ist im Europa-Patent EP-A-0 063 205 beschrieben. In diesem Dokument wird jedoch angegeben, daß neben der Raman-Effekt-Strahlung eine Strahlung durch Brillouin-Effekt erzeugt wird, durch die die optischen Elemente des Pumplasers gefährdet und dessen Energie verringert wird. Zur Beseitigung dieser Brillouin-Strahlung wird ein polarisierter Laser mit nachgeschaltetem Polarisator und Viertelwellenlängenplättchen zwischen Pumplaser und Zelle mit Raman-Effekt-Medium eingesetzt, so daß die Rückkehr der Brillouin-Effekt-Strahlung in den Pumplaser verhindert wird.
Eine solche Anordnung führt zu Zwängen, da einerseits ein polarisierter Laser und andererseits zur Beseitigung der durch Brillouin-Effekt abgegebenen Strahlung ein Polarisator sowie ein Viertelwellenlängenplättchen erforderlich sind. Außerdem wird durch eine solche Anordnung nicht die schädliche Auswirkung der durch Brillouin-Effekt erzeugten Strahlung auf den Wirkungsgrad der Umwandlung zwischen der vom Pumplaser abgegebenen Strahlung und der sich daraus ergebenden Raman-Strahlung im Raman-Effekt-Medium und damit auf die am Ausgang mit Raman-Frequenz verfügbare optische Leistung vermieden.
Auch in Patent US-A-4 821 272 wird angegeben, daß neben der Raman- Effekt-Strahlung eine Brillouin-Strahlung entsteht, die mit dem Raman-Effekt direkt konkurriert und den Umwandlungsgrad durch Raman-Effekt verringert. Zur Beseitigung dieser Brillouin-Effekt- Strahlung werden zwischen Pumplaser und Zelle mit Raman-Effekt- Medium ein Polarisator und ein Viertelwellenlängenplättchen eingefügt, so daß die Rückkehr der Brillouin-Effekt-Strahlung in den ersten Resonanzraum des Pumplasers blockiert wird. Im gleichen Dokument wird eine weitere kompakte und exakt ausgerichtete Anordnung angeführt, durch die die durch Brillouin-Effekt abgegebene Energie begrenzt werden kann, so daß kein Polarisator mehr erforderlich ist. Der auf den Brillouin-Effekt zurückzuführende schädliche Einfluß kann jedoch nicht ganz vermieden werden.
So führt dieser Brillouin-Effekt zu Zwängen bei der Wahl der Bauteile und der Anordnung, und der Umwandlungsgrad durch Raman-Effekt und damit die am Ausgang mit Raman-Frequenz zur Verfügung stehende Leistung werden verringert. Hauptgegenstand der bekannten Vorrichtungen ist es demzufolge, eine Strahlung durch Brillouin- Effekt soweit wie möglich zu beseitigen.
Ziel dieser Erfindung ist es, diese Zwänge zu vermeiden und außerdem den Erhalt einer höheren Ausgangsleistung mit Raman-Frequenz zu ermöglichen.
Dazu ist erfindungsgemäß eine erste Ausführungsart des Raman-Effekt-Lasers mit:
- einem Pumplaser bestehend aus einem ersten, nach einer ersten optischen Achse schwingenden Resonanzraum, der auf zwei einander entgegengesetzten Seiten durch einen ersten Spiegel bzw. einen zweiten Spiegel begrenzt wird, deren optische Achsen auf die erste optische Achse ausgerichtet sind, und die eine erste optische Frequenz vollständig bzw. schwach reflektieren, wobei der erste Resonanzraum einen optischen Güteschalter, durch den die Resonanz des ersten Resonanzraums verzögert werden kann, sowie ein verstärkendes optisches Medium hat, das durch ein Anregungsmittel angeregt werden kann, wobei dieser erste Resonanzraum über den zweiten Spiegel eine erste optische Strahlung mit der ersten optischen Frequenz abgibt;
- einem in einer Zelle enthaltenen Raman-Effekt-Medium, an das die erste Strahlung gelangt und das als Reaktion eine zweite Strahlung durch Raman-Effekt mit einer zweiten optischen Frequenz sowie eine dritte Strahlung mit einer dritten optischen Frequenz durch Brillouin-Effekt abgibt, und
- einem zweiten, nach einer zweiten optischen Achse schwingenden Resonanzraum, der die Zelle enthält, auf die zweite optische Frequenz abgestimmt ist, auf einer Seite durch einen dritten Spiegel, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz vollständig reflektiert, und auf der entgegengesetzten Seite durch einen vierten Spiegel begrenzt wird, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz teilweise reflektiert, und ein Teleskop mit reellem Brennpunkt hat, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und dessen Fokussierungspunkt im Raman-Effekt-Medium gelegen ist, dadurch bemerkenswert, daß der zweite und dritte Spiegel für die dritte optische Frequenz durchlässig sind, so daß eine Rückkehr der dritten Strahlung in den ersten Resonanzraum möglich ist, und daß der erste Spiegel ein reflektierendes Element ist.
Anders als in der alten Technik kann die durch Brillouin-Effekt entstandene Strahlung somit in den ersten Resonanzraum des Pumplasers zurückkehren und eine zusätzliche Anregung gewährleisten, durch die wiederum eine höhere Energie an das Raman-Effekt-Medium abgegeben und damit am Ausgang des Ramän-Effekt-Lasers eine höhere Leistung erzielt werden kann. Es ist festzustellen, daß diese durch Brillouin-Effekt entstandene Strahlung grundsätzlich gegenüber der erzeugenden ersten Strahlung verzögert ist, so daß diese Brillouin-Strahlung nicht durch den optischen Güteschalter vor der Auslösung des Pumplasers blockiert zu werden braucht, und daß sie hingegen den Beginn des Impulses verstärkt, sobald dieser optische Güteschalter eine ausreichende Menge der ersten Strahlung durchläßt. Das ist gleichbedeutend mit einer Beschleunigung der Wirkung der optischen Zustandsänderung dieses optischen Güteschalters. Andererseits brauchen keine Maßnahmen zur kritischen Ausrichtung der optischen Elemente mehr getroffen zu werden, wie in Patent US- A-4 821 272 zur Verringerung der Strahlung durch Brillouin-Effekt angegeben.
Dadurch verringern sich die Anzahl der optischen Teile und die entsprechenden Verzerrungen.
Bei einer zweiten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Raman-Effekt-Lasers mit:
- einem Pumplaser bestehend aus einem ersten, nach einer ersten optischen Achse schwingenden Resonanzraum, der auf zwei einander entgegengesetzten Seiten durch einen ersten Spiegel bzw. einen zweiten Spiegel begrenzt wird, deren optische Achsen auf die erste optische Achse ausgerichtet sind und die eine erste optische Frequenz vollständig bzw. schwach reflektieren, wobei der erste Resonanzraum einen optischen Güteschalter, durch den die Resonanz des ersten Resonanzraums verzögert werden kann, sowie ein verstärkendes optisches Medium hat, das durch ein Anregungsmittel angeregt werden kann, wobei dieser erste Resonanzraum über den zweiten Spiegel eine erste optische Strahlung mit der ersten optischen Frequenz abgibt;
- einem in einer Zelle enthaltenen Raman-Effekt-Medium, an das die erste Strahlung gelangt und das als Reaktion eine zweite Strahlung durch Raman-Effekt mit einer zweiten optischen Frequenz sowie eine dritte Strahlung mit einer dritten optischen Frequenz durch Brillouin-Effekt abgibt
- einem zweiten, nach einer zweiten optischen Achse schwingenden Resonanzraum, der die Zelle enthält, auf die zweite optische Frequenz abgestimmt ist, auf einer Seite durch einen dritten Spiegel, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz teilweise reflektiert, und auf der entgegengesetzten Seite durch einen vierten Spiegel begrenzt wird, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz vollständig reflektiert, und ein Teleskop mit reellem Brennpunkt hat, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und dessen Fokussierungspunkt im Raman-Effekt-Medium gelegen ist, und
- einem optischen Trennelement im Strahlengang zwischen dem ersten Resonanzraum und der Zelle, an das die erste Strahlung aus dem ersten Resonanzraum gelangt und das diese zumindest teilweise an die Zelle überträgt, wird andererseits vorgesehen, daß der zweite und der dritte Spiegel für die dritte optische Frequenz durchlässig sind und so die Rückkehr der dritten Strahlung in den ersten Resonanzraum ermöglichen, während der erste Spiegel reflektiert, und daß das optische Trennelement der dritten Strahlung mit der dritten optischen Frequenz den Übergang in den ersten Resonanzraum ermöglichen und die zweite Strahlung in eine andere Richtung als nach dem ersten Resonanzraum lenken kann, so daß diese den Raman- Effekt-Laser verlassen kann. Diese zweite Ausführungsart hat die gleichen Vorteile wie die erste Ausführungsart, da die durch Brillouin-Effekt entstandene Strahlung in den ersten Resonanzraum des Pumplasers zurückkehren und hier eine zusätzliche Anregung gewährleisten kann, die es diesem ermöglicht, an das Raman-Effekt-Medium eine höhere Energie abzugeben, so daß sich am Ausgang des Raman- Effekt-Lasers eine größere Leistung ergibt.
Nach einer dritten Ausführungsart ist der erfindungsgemäße Raman- Effekt-Laser mit:
- einem Pumplaser bestehend aus einem ersten, nach einer ersten optischen Achse schwingenden Resonanzraum, der auf zwei einander entgegengesetzten Seiten durch einen ersten Spiegel bzw. einen zweiten Spiegel begrenzt wird, deren optische Achsen auf die erste optische Achse ausgerichtet sind und die eine erste optische Frequenz vollständig bzw. schwach reflektieren, wobei der erste Resonanzraum einen optischen Güteschalter, durch den die Resonanz des ersten Resonanzraums verzögert werden kann, sowie ein verstärkendes optisches Medium hat, das durch ein Anregungsmittel angeregt werden kann, wobei dieser erste Resonanzraum über den zweiten Spiegel eine erste optische Strahlung mit der ersten optischen Frequenz abgibt;
- einem in einer Zelle enthaltenen Raman-Effekt-Medium, an das die erste Strahlung gelangt und das als Reaktion eine zweite Strahlung durch Raman-Effekt mit einer zweiten optischen Frequenz sowie eine dritte Strahlung mit einer dritten optischen Frequenz durch Brillouin-Effekt abgibt,
- einem zweiten, nach einer zweiten optischen Achse schwingenden Resonanzraum, der die Zelle enthält, auf die zweite optische Frequenz abgestimmt ist, auf einer Seite durch einen dritten Spiegel, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz vollständig reflektiert, und auf der entgegengesetzten Seite durch einen vierten Spiegel begrenzt wird, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz teilweise reflektiert, und ein Teleskop mit reellem Brennpunkt hat, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und dessen Fokussierungspunkt im Raman-Effekt-Medium gelegen ist,
- einem optischen Polarisator im Strahlengang zwischen dem zweiten und dem dritten Spiegel und
- einem auf die erste Frequenz abgestimmten Viertelwellenlängenplättchen zwischen der Zelle und dem vierten Spiegel, dadurch bemerkenswert, daß der zweite und dritte Spiegel und der Polarisator für die dritte optische Frequenz durchlässig sind, so daß die dritte Strahlung in den ersten Resonanzraum zurückkehren kann, während der erste Spiegel reflektiert.
Diese dritte Ausführungsart hat ebenfalls die Vorteile der ersten beiden Ausführungsarten, da die durch Brillouin-Effekt entstandene Strahlung in den Resonanzraum des Pumplasers zurückkehren und hier eine zusätzliche Anregung bewirken kann, die es diesem wiederum ermöglicht, eine größere Energie an das Raman-Effekt-Medium abzugeben, so daß sich am Ausgang des Raman-Effekt-Lasers eine höhere Leistung ergibt. Vor allem kann durch den vom zweiten Resonanzraum zurückkommenden Teil der ersten Strahlung der erste Resonanzraum nicht gestört werden. Der vom dritten Spiegel und vom vierten Spiegel reflektierte Teil der zweiten Strahlung trägt ebenfalls zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei.
Es ist festzustellen, daß der Raman-Effekt-Laser nach einer der obigen Ausführungsarten einen Nd-YAG-Laser haben kann, der als Pumplaser dient.
Andererseits hat der Raman-Effekt-Laser bei allen obigen Ausführungsarten den Vorteil, daß der optische Güteschalter die Form eines Sättigungsabsorbers haben kann.
Aus diesem Grunde ist die Steuerungsstruktur des Lasers sehr einfach. Außerdem gewährleistet die durch Brillouin-Effekt entstandene Energie eine zusätzliche Anregung, durch die die Umschaltung des Sättigungsabsorbers und die Energiegewinnung aus dem verstärkenden Medium begünstigt werden.
Außerdem kann der Raman-Effekt-Laser bei allen obigen Ausführungsarten einen Ablenker im Strahlengang zwischen dem ersten Resonanzraum und der Zelle haben, durch den die erste und dritte optische Frequenz um den gleichen Winkel abgelenkt werden können.
Der Raman-Effekt-Laser kann somit kompakt ausgeführt werden.
Als Raman-Effekt-Medium und dessen Aufnahmezelle kann bei allen obigen Ausführungsarten des Raman-Effekt-Lasers eine Zelle mit einem Eintrittsfenster und einem Austrittsfenster für die erste, zweite und dritte Frequenz verwendet werden, während das Raman- Medium ein Gas ist.
Dadurch kann der Raman-Effekt-Laser mit einer Zelle klassischer Konzeption und einem herkömmlichen, handelsüblichen Gas verwirklicht werden.
Es ist festzustellen, daß bei allen obigen Ausführungsarten mindestens ein Fenster der Zelle des Raman-Effekt-Lasers aus einem Spiegel bestehen kann.
Dadurch ist es möglich, die Anzahl der optischen Teile und die entsprechenden Verzerrungen zu verringern.
Bei allen obigen Ausführungsarten hat der Raman-Effekt-Laser außerdem den Vorteil, daß mindestens ein Fokussierungselement und ein benachbarter Spiegel in Form eines einzigen optischen Elements vorgesehen werden können.
Die Anzahl der optischen Teile wird damit verringert und deren Verzerrung reduziert.
Bei allen obigen Ausführungsarten kann der Raman-Effekt-Laser mindestens ein Fokussierungselement haben, dessen Brennweite für die erste und die zweite Frequenz identisch ist.
Der Strahlenverlauf ist somit für die erste und die zweite Frequenz gleich.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung vereinfachen das Verständnis dafür, wie die Erfindung verwirklicht werden kann. In diesen Figuren werden gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Figur 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsart des erfindungsgemäßen Raman-Effekt-Lasers.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsart des erfindungsgemäßen Raman-Effekt-Lasers.
Figur 3 stellt eine dritte Ausführungsart des erfindungsgemäßen Raman-Effekt-Lasers dar.
Figur 4 zeigt die Wellenformen der erhaltenen Impulse.
Der in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Raman-Effekt-Laser besteht aus einem Pumplaser 1, beispielsweise von der Art eines Nd-YAG-Lasers, mit einem ersten Resonanzraum 2 mit einer ersten optischen Achse, der auf der einen Seite durch einen ersten Spiegel 3 und auf der entgegengesetzten Seite durch einen zweiten Spiegel 4 begrenzt wird, die beide eine optische Achse haben, die auf die erste optische Achse ausgerichtet ist. Dieser erste Resonanzraum 2 enthält einen optischen Güteschalter 5 zwischen dem ersten Spiegel 3 und dem zweiten Spiegel 4, dessen Aufgabe darin besteht, den Beginn der von einem verstärkenden optischen Medium 6 im ersten Resonanzraum 2, dessen optische Achse auf die erste optische Achse ausgerichtet ist, erzeugten Lichtimpulse zu verzögern. Das verstärkende optische Medium 6 kann durch ein Anregungsmittel 7, beispielsweise eine Blitzlampe, angeregt werden. Der optische Güteschalter 5 erzeugt eine Dämpfung der Schwingung des ersten Resonanzraums 2, so daß der Beginn der Emission verhindert wird, solange das verstärkende optische Medium 6 die vom Anregungsmittel 7 kommende Energie noch nicht voll absorbiert hat. Dieser Pumplaser 1 gibt eine erste impulsförmige Strahlung mit einer ersten Frequenz ab, deren Wellenlänge 1,06 um entspricht. Der erste Spiegel 3 reflektiert die erste Frequenz vollständig, während der zweite Spiegel 4 einen für diese erste Frequenz verhältnismäßig niedrigen Reflexionskoeffizienten hat und einen großen Teil dieser ersten Strahlung durch den ersten Resonanzraum 2 nach außen durchläßt.
Ein Raman-Effekt-Medium 10, das in diesem Beispiel aus Methan unter Druck besteht, kann die erste Strahlung aufnehmen und als Reaktion durch Raman-Effekt eine zweite Strahlung mit einer zweiten Frequenz, die einer Wellenlänge von 1,54 um entspricht, sowie durch Brillouin-Effekt eine dritte Strahlung mit einer dritten Frequenz abgeben, deren Wert dem der ersten Frequenz nahekommt. Dieses Raman-Effekt-Medium 10 befindet sich in einer Zelle 11, die von einem ersten und einem zweiten Fenster 12 bzw. 13 begrenzt wird, die an zwei entgegengesetzten Seiten dieser Zelle 11 angeordnet sind.
Der dritte und vierte Spiegel haben eine gleiche zweite optische Achse, die annähernd senkrecht zu den beiden Fenstern 12 und 13 verläuft. Die Zelle 11 erhält entsprechend der zweiten optischen Achse die erste optische Strahlung durch das erste Fenster 12. Diese Zelle 11 befindet sich in einem zweiten, nach der zweiten Frequenz schwingenden Resonanzraum 14, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der auf der einen Seite durch einen dritten Spiegel 15, der für die erste und dritte Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite Frequenz vollständig reflektiert, und auf der entgegengesetzten Seite durch einen vierten Spiegel 16 begrenzt wird, der für die erste Frequenz durchlässig ist und die zweite Frequenz teilweise reflektiert. In diesem zweiten Resonanzraum 14 befinden sich beiderseits des Raman-Effekt-Mediums 10 ein erstes Fokussierungselement 17, beispielsweise eine Linse, sowie ein zweites Fokussierungselement 18, beispielsweise eine Linse, durch die diese erste eintretende bzw. reflektierte Strahlung in einem Raum von begrenzter Größe des Raman-Effekt-Mediums 10 konvergiert oder kollimatiert wird.
Die optischen Achsen des dritten Spiegels 15, des vierten Spiegels 16, des ersten Fokussierungselements 17 und des zweiten Fokussierungselements 18 sind auf die zweite optische Achse ausgerichtet, und das erste und zweite Fokussierungselement 17 bzw. 18 sind so angeordnet, daß jedes parallel zur zweiten optischen Achse verlaufende und auf das Raman-Effekt-Medium 10 gerichtete Strahlenbündel in einem im Raman-Medium 10 gelegenen gleichen Punkt konvergiert. Der zweite Resonanzraum 14 enthält somit eine aus dem ersten und zweiten Fokussierungselement 17 bzw. 18 bestehende Teleskopoptik, durch die in diesen zweiten Resonanzraum 14 reflektierten Strahlen in einem Raum des Raman-Effekt-Mediums 10 von sehr begrenzter Größe konvergieren.
Der erste Spiegel 3 reflektiert die dritte Frequenz, während der zweite Spiegel 4 für die dritte Frequenz zumindest teilweise durchlässig ist. Dieser zweite Spiegel 4 kann zur Erleichterung der Ausführung ein Planspiegel sein.
In Figur 2 wurde ein erfindungsgemäßer Raman-Effekt-Laser dargestellt, der die gleichen Elemente wie in Figur 1 enthält, bei dem jedoch bestimmte Spiegel, die mit Zehner- und Einerziffern entsprechend Figur 1 sowie vorangestellter Hunderterziffer 1 bezeichnet werden, veränderte Reflexionseigenschaften aufweisen. Nachstehend werden nur die Funktion der neuen Elemente und die Funktion der bereits beschriebenen Spiegel lediglich dann erklärt, wenn sie eine Abweichung aufweisen.
Ein Pumplaser 101 entsprechend Pumplaser 1 umfaßt mit 102 bis 107 bezeichnete Elemente, die jeweils den mit 2 bis 7 bezeichneten Elementen gleichen und die gleiche Funktion haben. Außerdem enthält oder ist eine Zelle 111 Elementen 112, 113, 110, 117 und 118 zugeordnet, die jeweils den Elementen 12, 13, 10, 17 und 18 gleich sind und die gleiche Funktion haben. Dagegen sind der dritte und vierte Spiegel 15 und 16 durch den dritten Spiegel 115 bzw. den vierten Spiegel 116 ersetzt, die die gleiche relative Lage, jedoch andere Reflexionseigenschaften haben. So ist der dritte Spiegel 115 noch für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig, die zweite optische Frequenz wird jedoch teilweise reflektiert, während der vierte Spiegel 116 für die erste optische Frequenz noch durchlässig ist, die zweite optische Frequenz jedoch vollständig reflektiert.
Diese Anordnung hat außerdem einen Ablenker 119 sowie einen dichroitischen Spiegel 120, der die Funktion eines optischen Trennelements hat. Beide befinden sich zwischen dem zweiten Spiegel 104 und dem dritten Spiegel 115, wobei der Ablenker 119 die Funktion hat, die Richtung der ein- oder austretenden optischen Bündel des Pumplasers 101 zu verändern, während der dichroitische Spiegel 120 eine gleiche Wirkung und außerdem die Funktion eines optischen Trennelements hat, durch das das ankommende optische Bündel in zwei Bündel unterschiedlicher Richtung geteilt wird, so daß die zweite optische Frequenz beim Durchtritt austreten kann.
Figur 3 stellt eine dritte Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Raman-Effekt-Lasers dar, der die gleichen Elemente wie in Figur 1 enthält, bei der jedoch bestimmte Spiegel, die mit gleichen Zehner- und Einerziffern wie in Figur 1 sowie vorangestellter Hunderterziffern 2 bezeichnet werden, veränderte Reflexionseigenschaften aufweisen. Nachstehend werden nur die Funktion der neuen Elemente und die Funktion der bereits beschriebenen Spiegel lediglich dann erklärt, wenn sie eine Abweichung aufweisen.
Ein Pumplaser 201 entsprechend Pumplaser 1 hat mit 202 bis 207 bezeichnete Elemente, die jeweils den mit 2 bis 7 bezeichneten Elementen entsprechen und die gleiche Funktion haben. Dabei wird die diesen Pumplaser 201 verlassende Strahlung durch ein Mittel, beispielsweise eine nicht dargestellte Polarisationsplatte, polarisiert. Ebenso hat oder ist eine Zelle 211 Elementen 212, 213, 210, 215, 217 und 218 zugeordnet, die den Elementen 12, 13, 10, 15, 17 und 18 entsprechen und die gleiche Funktion haben. Dagegen ist der vierte Spiegel 16 durch einen vierten Spiegel 216 mit der gleichen relativen Lage ersetzt, der jedoch andere Reflexionseigenschaften hat. So wird vom vierten Spiegel 216 die erste optische Frequenz vollständig und die zweite optische Frequenz weiterhin teilweise reflektiert.
Außerdem befindet sich zwischen dem zweiten Spiegel 204 und dem dritten Spiegel 215 ein Polarisator 221, während ein Viertelwellenlängenplättchen 222, das auf die erste Frequenz abgestimmt ist, zwischen dem zweiten Fokussierungselement 218 und dem vierten Spiegel 216 angeordnet ist. Der Polarisator 221 ist so ausgerichtet, daß die polarisierte Strahlung aus dem ersten Resonanzraum 202 durchtreten kann.
Die Funktion der Anordnung von Figur 1 ist folgende. Das Anregungsmittel 7 gibt einen Lichtimpuls ab, durch den das verstärkende optische Medium 6 angeregt wird. Dieses strebt als Reaktion darauf nach einer Laseremission, die durch den ersten Spiegel 3 und den zweiten Spiegel 4 des ersten Resonanzraums 2 verstärkt wird. Da der Reflexionskoeffizient des zweiten Spiegels 4 jedoch niedrig ist und zum Beispiel eine Größenordnung von 20 bis 30 % aufweist, ist der Gütekoeffizient dieses ersten Resonanzraums 2 verhältnismäßig niedrig, der zudem noch durch den optischen Güteschalter 5 reduziert wird. Aus diesem Grund kann die Schwingung nicht zustande kommen. Wenn der optische Güteschalter 5 durch eine elektrische Steuerung oder bei einem Sättigungsabsorber auf natürliche Weise durchlässig zu werden beginnt, nimmt die Schwingung sehr langsam zu, und es wird ein beträchtlicher Teil der ersten Strahlung hindurchgelassen. Dadurch wird das Raman-Effekt-Medium 10 angeregt, das durch Brillouin-Effekt die dritte Strahlung erzeugt. Diese dritte Strahlung gelangt in den ersten Resonanzraum 2 zurück, in den sie infolge der Durchlässigkeit der Spiegel innerhalb ihres Weges eindringen kann. Diese dritte Strahlung hat Phasenkonjugationseigenschaften, durch die die Kohärenz des Anregungsbündels des Raman-Effekt-Mediums 10 erhalten bleibt. Dadurch wird für den ersten Resonanzraum 2 zusätzliche Energie gewonnen, die bei Rücklauf eine wachsende Anregung des Raman-Effekt-Mediums 10 bewirkt, das dann eine zweite Raman-Strahlung mit 1,54 um Leistung abgibt, die größer als diejenige ist, die bei Blockierung der Rückkehr der dritten Brillouin-Effekt-Strahlung in den Pumplaser 1 abgegeben würde. Die Länge der Wechselwirkung der dritten Strahlung mit dem verstärkenden optischen Medium 6 nimmt zu, weil die dritte Frequenz vom ersten Spiegel 3 reflektiert wird. Außerdem wird durch den zweiten Resonanzraum 14 mit dem Teleskop 17 und 18 die zweite Raman-Effekt-Strahlung durch den mehrf achen Übergang von reflektierter Energie in den bereits angeregten Raum des Raman-Effekt-Mediums 10 noch verstärkt. Die beschriebenen optischen Elemente werden vorzugsweise nahe beieinander angeordnet, um Verzerrungen und Wegezeiten klein zu halten.
In der zweiten Anordnung von Figur 2 sind zwischen dem Pumplaser 101 und dem dritten Spiegel 115 der Ablenker 119 und der Spiegel 120 angeordnet. Dadurch kann die zweite optische Achse von Zelle 111 mit dem Raman-Effekt-Medium 110 gegenüber der ersten optischen Achse versetzt sein, so daß die Anordnung kompakter sein kann. Die erste Strahlung aus dem Pumplaser 101 wird vom Ablenker 119, dann von Spiegel 120 abgelenkt, nach der zweiten optischen Achse reflektiert, gelangt in die Zelle 111, verläßt diese und verläuft anschließend durch das zweite Fokussierungselement 118 und den vierten Spiegel 116. Die zweite, vom Raman-Effekt-Medium 110 abgegebene Strahlung wird von diesem vierten Spiegel 116 reflektiert, gelangt zum Teil durch den dritten Spiegel 115 und erreicht Spiegel 120, der für sie teildurchlässig ist, verläßt die Anordnung und bildet so den Ausgang des Raman-Effekt-Lasers. Wie oben, erzeugt das Raman-Effekt-Medium 110 eine dritte Strahlung durch Brillouin-Effekt, die in den Pumplaser 101 zurückgelangt und die dem umgekehrten Weg der ersten Strahlung folgt und das gleiche anfangs dargelegte Ergebnis bewirkt.
Die Anordnung von Figur 3 hat eine Funktion, die der von Figur 1 ziemlich nahekommt. Eine Ausnahme bildet dabei die erste Pumpstrahlung, die hinter dem Raman-Effekt- und Brillouin-Effekt-Medium 210 vom vierten Spiegel 216 vollständig reflektiert wird, erneut durch dieses Raman-Effekt-Medium 210 verläuft, dabei beim Rücklauf vom zweiten Fokussierungselement 218 kollimatiert wird, durch das die Strahlung im Fokussierungspunkt des ersten Fokussierungselements 217 gebündelt wird, so daß die in den kleinen Raum des Raman-Effekt-Mediums 210 um den Fokussierungspunkt herum gelangende Energie und damit deren Emission durch Raman-Effekt zunimmt. Der Polarisator 221, der so ausgerichtet ist, das durch ihn die erste polarisierte Strahlung aus dem Pumplaser 201 verläuft, soll vermeiden, daß die vom vierten Spiegel 216 reflektierte erste Strahlung den ersten Resonanzraum 202 stört. Dazu erreicht die erste, vom ersten Resonanzraum 202 emittierte Strahlung den vierten Spiegel 216, nachdem sie durch diesen Polarisator 221 und dann durch das Viertelwellenlängenplättchen 222 gelangt ist, das auf die erste Frequenz abgestimmt ist und das an jedem Punkt des Strahlengangs zwischen dem zweiten Fenster 213 und dem vierten Spiegel 216 angeordnet werden kann. Bei Hin- und Rücklauf durch dieses Viertelwellenlängenplättchen 222 erfolgt eine Winkeldrehung um 90 Grad, so daß die Übertragung der ersten Strahlung an den ersten Resonanzraum 202 durch Polarisator 221 vermieden wird.
In allen Figuren wurden optische Elemente dargestellt, die im allgemeinen zur Vereinfachung der Darstellung nur eine Funktion haben. Mehrere benachbarte optische Elemente, die also nicht durch ein anderes optisches Element getrennt sind, können zur Vereinfachung der Anordnung kombiniert werden. Außerdem können bestimmte benachbarte optische Elemente in Form eines einzigen optischen Flements mit den gewünschten Funktionen verwirklicht werden. Dadurch werden die Anordnung vereinfacht, deren optische Eigenschaften verbessert und die Kosten gesenkt. Insbesondere können das erste und zweite Fokussierungselement 17 und 18 in Form eines Spiegels mit den gewünschten Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften verwirklicht werden. Das erste und zweite Fenster 12 und 13 können ihrerseits aus dem benachbarten Fokussierungselement bestehen, das die obige Spiegelfunktion haben kann. Ebenso können der zweite Spiegel 4, der dritte Spiegel 15, das erste Fokussierungselement 17 und das erste Fenster 12 durch eine verringerte Anzahl von Bauteilen, evt. durch ein einziges, verwirklicht werden. Dem Fachmann ist natürlich klar, daß in jeder vorgestellten Anordnung ein Ablenker eingesetzt werden kann.
Figur 4 zeigt die Amplituden I der Wellenformen der Strahlungen in Abhängigkeit von der Zeit t in Nanosekunden. Kurve Co stellt die Reaktion des Pumplasers 1 bei 1,06 um und fehlender dritter Brillouin-Rückstrahlung dar. Kurve CB stellt die Reaktion dieses Pumplasers 1 bei 1,06 um mit vorhandener dritter Brillouin-Strahlung dar. Es ist zu bemerken, daß diese Kurve CB eine Anstiegsfront hat, deren Beginn CB1 mit der Anstiegsfront von Kurve Co zusammenfällt, dem jedoch ein Ende CB2 der Anstiegsfront folgt, das steil ist und das zu einer annähernden Verdoppelung der maximalen Impulsamplitude führt. Die Impulsamplitude CB nimmt dann nicht-monoton in Abhängigkeit vom Einfluß der von der dritten Strahlung bei Rücklauf abgegebenen augenblicklichen Anregungsenergie nach einer Verzögerungszeit für Hin- und Rücklauf ab. Die Kurve CR stellt die zeitabhängige Impulsamplitude für die zweite RAMAN-Frequenz und 1,54 um dar. Es ist zu bemerken, daß dieser Impuls eine steile Anstiegsfront hat, die gleichzeitig mit dem Ende CB2 der Anstiegsfront von Kurve CB auftritt und die dann schneller als diese Kurve CB abfällt, wobei sie deren Wellenbewegungen folgt. Dieser Impuls CR hat eine geringere Nutzdauer als der ihn erzeugende Impuls CB, da das Raman-Medium 10 eine Umwandlungswirkung mit exponentiellem Verlauf hat. Somit hat die Zunahme der maximalen Amplitude des Anregungsimpulses CB eine große Auswirkung auf die maximale Amplitude des Raman-Impulses CR.

Claims

1 - Raman-Effekt-Laser bestehend aus:

- einem Pumplaser (1) mit einem ersten nach einer ersten optischen Achse schwingenden Resonanzraum (2), der auf zwei entgegengesetzten Seiten durch einen ersten Spiegel (3) und einen zweiten Spiegel (4) begrenzt wird, deren optische Achsen auf die erste optische Achse ausgerichtet sind, und die eine erste optische Frequenz vollständig bzw. schwach reflektieren, wobei der erste Resonanzraum (2) einen optischen Güteschalter (5) hat, der die Resonanz des ersten Resonanzraums (2) verzögern kann, sowie ein verstärkendes optisches Medium (6), das durch ein Anregungsmittel (7) angeregt werden kann, wobei dieser erste Resonanzraum (2) durch den zweiten Spiegel (4) eine erste optische Strahlung mit der ersten optischen Frequenz abgibt;

- einem in einer Zelle (11) enthaltenen Raman-Effekt-Medium (10) an das die erste Strahlung gelangt und das als Reaktion eine zweite Raman-Effekt-Strahlung mit einer zweiten optischen Frequenz sowie eine dritte Strahlung mit einer dritten optischen Frequenz abgibt, die durch Brillouin-Effekt erhalten wird, und

- einem nach einer zweiten optischen Achse schwingenden zweiten Resonanzraum (14), der die Zelle (11) enthält und auf die zweite optische Frequenz abgestimmt ist, der auf der einen Seite durch einen dritten Spiegel (15), dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist, der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz vollständig reflektiert, und auf der entgegengesetzten Seite durch einen vierten Spiegel (16) begrenzt wird, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist, der für die erste optische Frequenz vollständig durchlässig ist und die zweite optische Frequenz teilweise reflektiert, und der ein Teleskop (17,18) mit reellem Brennpunkt hat, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und dessen Fokussierungspunkt im Raman-Effekt-Medium (10) liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (4) und der dritte Spiegel (15) für die dritte optische Frequenz durchlässig sind und so die Rückkehr der dritten Strahlung in den ersten Resonanzraum (2) ermöglichen, und diese vom ersten Spiegel (3) reflektiert wird.

2 - Raman-Effekt-Laser bestehend aus:

- einem Pumplaser (101) mit einem ersten nach einer ersten optischen Achse schwingenden Resonanzraum (102), der auf zwei entgegengesetzten Seiten von einem ersten Spiegel (103) bzw. einem zweiten Spiegel (104) begrenzt wird, deren optische Achsen auf die erste optische Achse ausgerichtet sind und die eine erste optische Frequenz vollständig bzw. schwach reflektieren, wobei der erste Resonanzraum (102) einen optischen Güteschalter (105), der die Resonanz der ersten Resonanzraums (102) verzögern kann, sowie ein verstärkendes optisches Medium (106) hat, das durch ein Anregungsmittel (107) angeregt werden kann, wobei dieser erste Resonanzraum (102) durch den zweiten Spiegel (104) eine erste optische Strahlung mit der ersten optischen Frequenz abgibt:

- einem Raman-Effekt-Medium (110) in einer Zelle (111), an das die erste Strahlung gelangt und das als Reaktion durch Raman-Effekt eine zweite Strahlung mit einer zweiten optischen Frequenz sowie durch Brillouin-Effekt eine dritte Strahlung mit einer dritten optischen Frequenz abgibt;

- einem zweiten nach einer zweiten optischen Achse schwingenden Resonanzraum (114) mit der Zelle (111), der auf die zweite optische Frequenz abgestimmt ist und auf der einen Seite durch einen dritten Spiegel (115), dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz voll durchlässig ist und die zweite optische Frequenz teilweise reflektiert, und auf der entgegengesetzten Seite durch einen vierten Spiegel (116) begrenzt wird, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der für die erste optische Frequenz voll durchlässig ist und die zweite optische Frequenz vollständig reflektiert, und der ein Teleskop (117,118) mit reellem Brennpunkt enthält, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und dessen Fokussierungspunkt im Raman-Effekt-Medium (110) liegt; und

- einem optischen Trennelement (120) im Strahlengang zwischen dem ersten Resonanzraum (102) und der Zelle (111), an das die erste Strahlung aus dem ersten Resonanzraum (102) gelangt und das diese zumindest teilweise an die Zelle (111) überträgt,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite (104) und der dritte Spiegel (115) für die dritte optische Frequenz durchlässig sind und so die Rückkehr der dritten Strahlung in den ersten Resonanzraum (102) ermöglichen, und diese vom ersten Spiegel (103) reflektiert wird, und dadurch, daß das optische Trennelement (120) für die dritte optische Frequenz den Übergang der dritten Strahlung in den ersten Resonanzraum (102) ermöglichen, und die zweite Strahlung in eine andere Richtung als nach dem ersten Resonanzraum (102) lenken kann, so daß diese den Raman-Effekt-Laser verlassen kann.

3 - Raman-Effekt-Laser bestehend aus:

- einem Pumplaser (201) mit einem ersten nach einer ersten optischen Achse schwingenden Resonanzraum (202), der auf zwei entgegengesetzten Seiten durch einen ersten Spiegel (203) und einen zweiten Spiegel (204) begrenzt wird, deren optische Achsen auf die erste optische Achse ausgerichtet sind, und die eine erste optische Frequenz vollständig bzw. schwach reflektieren, wobei der erste Resonanzraum (202) einen optischen Güteschalter (205), der die Resonanz des ersten Resonanzraums (202) verzögern kann, sowie ein verstärkendes optisches Medium (206) hat, das durch ein Anregungsmittel (207) angeregt werden kann, wobei dieser erste Resonanzraum (202) über den zweiten Spiegel (204) eine erste optische Strahlung mit der ersten optischen Frequenz abgibt;

- einem Raman-Effekt-Medium (210) in einer Zelle (211), an das die erste Strahlung gelangt und das als Reaktion eine zweite Strahlung durch Raman-Effekt mit einer zweiten optischen Frequenz sowie durch Brillouin-Effekt eine dritte Strahlung mit einer dritten optischen Frequenz abgibt;

- einem zweiten nach einer zweiten optischen Achse schwingenden Resonanzraum (214) mit der Zelle (211), der auf die zweite optische Frequenz abgestimmt ist und auf der einen Seite durch einen dritten Spiegel (215), dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist, der für die erste optische Frequenz voll durchlässig ist und die zweite optische Frequenz vollständig reflektiert, und auf der entgegengesetzten Seite durch einen vierten Spiegel (216) begrenzt wird, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausgerichtet ist und der die erste optische Frequenz vollständig und die zweite optische Frequenz teilweise reflektiert und ein Teleskop (217,218) mit reellem Brennpunkt hat, dessen optische Achse auf die zweite optische Achse ausge-richtet ist und dessen Fokussierungspunkt im Raman-Effekt-Medium (210) liegt;

- einem optischen Polarisator (221) im Strahlengang zwischen dem zweiten Spiegel (204) und dem dritten Spiegel (215) und

- einem Viertelwellenlängenplättchen (222), das auf die erste Frequenz abgestimmt ist und das sich zwischen der Zelle (211) und dem vierten Spiegel (216) befindet,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (204) und der dritte Spiegel (215) sowie der Polarisator (221) für die dritte optische Frequenz durchlässig sind, so daß die Rückkehr der dritten Strahlung in den ersten Resonanzraum (202) möglich ist, und diese vom ersten Spiegel (203) reflektiert wird.

4 - Raman-Effekt-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumplaser (1) ein Nd-YAG-Laser ist.

5 - Raman-Effekt-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Güteschalter (5) ein Sättigungsabsorber ist.

6 - Raman-Effekt-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Ablenker (119),

dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenker (119) im Strahlengang zwischen dem ersten Resonanzraum (2) und der Zelle (11) die erste und dritte optische Frequenz um den gleichen Winkel ablenken kann.

7 - Raman-Effekt-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (11) ein erstes Eintrittsfenster (12) und ein zweites Austrittsfenster (13) für die erste, zweite und dritte Frequenz hat, und dadurch, daß das Raman-Effekt- Medium (10) ein Gas ist.

8 - Raman-Effekt-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (4) eben ist.

9 - Raman-Effekt-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fokussierungselement (17,18) und ein benachbarter Spiegel (15,16) in Form eines einzigen optischen Elements ausgeführt sind.

10 - Raman-Effekt-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fokussierungselement (17,18) eine für die erste und die zweite Frequenz identische Brennweite hat.