NO175177B - Effektiv fasekonjugert laser - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en laseranordning som anvender en hovedoscillator, effektforsterkerkonfigurasjon, der en hovedoscillator tilveiebringer en strålingskilde som injiseres inn i et forsterkende trinn hvor den forsterkes til å gi laserutgangsstråling med høyere effekt, omfattende en hovedoscillator som dessuten omfatter en laseroscillator med lavenergi, høy fasefrontkvalitet, og høy spektralrenhet, et forsterkertrinn som omfatter minst et forsterkningselement for laseroperasjonsmedium, anbragt langs en optisk bane langs hvilken utgangsstrål ing fra nevnte hovedoscillator rettes, koblingsmiddel for selektivt å koble en forutbestemt prosentandel av utgangsstrålingen fra nevnte hovedoscillator langs nevnte optiske bane og inn i nevnte forsterkningselement mens det hindres at samtlig, unntatt en forutbestemt prosentandel av enhver forsterket stråling som går ut av nevnte forsterkertrinn går inn igjen i nevnte hovedoscillator, fasekonjugeringsmiddel som også er anbragt langs nevnte optiske bane på den motsatte side av nevnte forsterkningselement som nevnte koblingsmiddel, for å reflektere den fasekonjugerte av laserstråling som er innfallende på dette.

Lasere og lasersystemer har flere kilder som gir bølgefront-forvrengning og spektral utvidelse. Virkninger bevirket av termisk påkjenning eller gradienter, vibrasjon, eller aberrasjoner er alle problemer som bidrar til forvrengninger i strålingsbølgefrontene som traverserer en laser. I tillegg bevirker termiske effekter store transienteffekter på operasjonen under oppstarting, før en termisk likevekt av stabil tilstandsoperasjon nås for de optiske elementene. Dette kan være et alvorlig problem for pulsede lasere og CW lasere hvis de opereres i støt, ettersom transientperioden da omfatter en større prosentandel av den totale laserdrifts-syklusen.

Bølgefront-forvrengninger degraderer ydelsen hos en laser og manifesterer seg som dårlig virkningsgrad med hensyn til energiekstrahering samt stråledivergens. Avhengig av den utmatede stråles kvalitet og ønskede effektnivå, kan bølgefrontforvrengning i komponentene som befinner seg innenfor laseren gjøre denne utilstrekkelig for en gitt anvendelse. Dette gjelder særlig for avanserte kommunika-sjons- eller følgingssystemer hvor en nesten diffraksjonsbegrenset laserutmatning ønskes. Dessuten, hvis stabil tilstandsdrift kan bevirkes til å være tilfredsstillende ved hjelp av konvensjonelt middel, vil termiske effekter gi høyeffekts-, eller høyenergitetthetslasere fortsatt skape utilfredsstillende ytelse under de initielle oppstartingsper-ioder forut for stabil tilstandsdrift, når laserelementene oppnår termisk likevekt.

Flere teknikker er blitt foreslått for å fjerne eller hindre bølgefrontforvrengning, innbefattende spesialiserte retro-reflektorer og deformerbare speil. I typiske faststofflaser-staver bevirker termiske gradienter som genereres av pumpingsenergien en effekt som er kjent som positiv linse-operasjon som kan korrigeres med en negativ linse. For den transiente tilstand må imidlertid mekaniske drivinnretninger anvendes for dynamisk å kompensere for den endrende linse-operasjon. Mens dette er blitt anvendt med en viss suksess, er der flere ulemper. Først, for geometrier som ikke er radielt symmetriske, slik som laserforsterkningsmedia med skivegeometri, er media-linseoperasjonseffekter ikke de for en enkel linse og krever kompliserte linsekonstruksjoner for å kompensere. Dernest krever et hvilket som helst "dynamisk" linsesystem nøyaktig lukket-sløyfe deteksjon og justering med meget høye hastigheter. Dette har ført til utviklingen av elektronisk styrte, mekaniske drevne, deformerbare eller bøybare speil og tilbakekoblingssløyfer eller servosystemer i store lasersystemer. Slik det lett vil fremgå, gjør dette en laser eller lasersystem mer komplisert, kostbar og utsatt for innrettingsfeil enn ønskelig. Denne løsning har også driftsrespons (hastighet) begrensninger som ganske enkelt ikke kan passe til transientvirkningstakten for adekvat å kompensere for et utvalg av anvendelser. Intet mekanisk system har oppnådd det ønskede kompenseringsnivået for avanserte, nesten diffraksjonsbegrensede lasere.

I tillegg krever, eller ønsker mange anvendelser effektiv drift endog under den initielle oppvarmings eller oppstartings-driftsfasen. Endog de tidligere foreslåtte omstendelige systemer for mekanisk, termisk linseoperasjon-kompensering har ikke klart å oppnå god ytelse, i form av virknignsgrad under transiente oppvarmningsbetingelser. Diffraksjonsbegrenset ydelse er blitt demonstrert kun i laboratorielasere under forhold med stabil tilstand.

Et alternativt forslag til aberrasjonskompensering i lasere er bruken av fasekonjugerende reflektorer. Her blir laser-energi fra et forsterkningsmedium reflektert av en fasekonjugert reflektor, som erstatter et konvensjonelt laser-speil, og føres så tilbake gjennom forsterkningsmediet inn i en dobbeltgangskonfigurasjon.

Den fasekonjugerte reflektoren frembringer reflektert stråling hvis bølgefronter oppfører seg som en tidsomsnudd versjon av de innfallende bølgefronter. Dette tillater strålingen å retraversere den samme optiske banen, innbefattende eventuelle aberrasjoner, i motsatt retning og således bli en ikke-forvrengt bølgefront. Dette er omtalt nærmere i "Optical Phase conjugation" av V.V. Shkunov og B.Y. Zel'dovich i SCIENTIFIC AMERICAN 253 NR. 6, 54 (desember 1985). I denne løsning ville fasekonjugering blitt anvendt for passivt å kompensere for kort og langvarig transient respons eller oppførsel, samt å kompensere for stabile tilstandsoptiske forvrengninger. Imidlertid er de foreslåtte fasekonjugeringsplaner eller utførelsesformer som er beskrevet i litteraturen enten ikke blitt demonstrert, krever relativt store mengder av oscillatoreffekt og er følgelig relativt ineffektive, eller retter seg ikke mot begrensninger hva angår energiekstrahering som pålegges ved forsterket spontan emisjon i det forsterkende medium.

Den grunnleggende forutsetning for oscillator/forsterker-løsningen er følgende. Oscillatorer med utmerket stråle-kvalitet og transientytelse kan lages på lav effekt. Når oscillatorer graderes til høyere effekt, blir termiske problemer i laseroperasjonsmediet progressivt mer alvorlig, hvilket gjør det progressivt mer vanskelig samtidig å oppnå god oscillatorkvalitet, transientydelse og virkningsgrad. De samme problemer oppstår med forsterkere. Med forsterkere kan imidlertid disse problemer lett overvinnes ved bruk av fasekonjugering eller andre teknikker. I en oscillator/- forsterker er det derfor ønskelig å redusere andelen av den totale utgangs- og inngangsenergi i oscillatoren.

Laseroscillator/-forsterkere som anvender fasekonjugering er blitt beskrevet i den sovjetiske litteratur i artikler slik som "Cancellation of Phase Distortions in an Amplifying Medium with a Brillouin Mirror", O.Y. Nosach, et al, ZhETF PIS.RED. , Vol. 16, No. 11, sidene 617-621 (5 desember 1972) og "Connection between the Vave Fronts of the Reflected and Exciting Light in Stimulated Mandel'Shtam-Brillouin Scattering," B.Y. Zel<*>dovich, et al, ZhETF PIS. RED., Vol. 15, No. 3, sidene 160-164 (5. februar 1972). Selvom pulsede systemer som opererer med høye energier er blitt beskrevet, har de som opererer på en høy repetis jonstakt hatt lav forsterkning og energi.

Ytterligere lasere eller lasersystemer er vist i US patentene nr. 4.321.550 tilhørende Evtohov, og 4.233.571 tilhørende Wang et al. Disse patenter dekker lasere hvis utmatning oppnås etter enkelt eller flergangs laserstrål ing gjennom et forsterkningsmedium. Energi ekstraheres ut av forsterknings-mediene på én rundgang. Mens disse lasere synes å gi aberrasjonskompensering og forbedret bølgefrontutmatning, krever de relativt store mengder av oscillatorenergi for å drive, ettersom mediet ikke effektivt drives til metning. Dessuten tillater disse konstruksjoner ikke et bredt område av optiske forvrengninger i lasoperasjonsmediet, og derfor er transient ytelse ikke god og/eller ytelse er begrenset til et smalt effektområde.

Hva som behøves er således en løsning for å mette nevnte laserforsterkningsmedia, og således oppnå høy ekstraksjonsvirkningsgrad mens kravene til oscillatorytelse reduseres. Dette krever at forsterkeren har høy forsterkning. Ettersom forsterkningen er begrenset av forsterket spontan emmisjon, behøves imidlertid også løsninger for å redusere denne virkning. Samtidig behøves løsninger for å forbedre den optiske planlegging, slik at fasekonjugering kan gjøres effektiv over et bredt område av optiske forvrengninger, som tillater operasjon under transienter og over et bredt effektområde.

En hensikt med oppfinnelsen er å tillate den maksimale ekstraksjon av energi fra forsterkningsmediet under anvendelse av fasekonjugering.

En andre hensikt med oppfinnelsen er å forbedre området for utgangseffekter og transient respons for fasekonjugert laser.

En tredje hensikt er å øke den totale virkningsgrad for oscillator/forsterkerkonfigurasjonen ved å maksimalisere forholdet mellom forsterker og oscillatorenergi.

En fjerde hensikt er å øke mengden av effektutmatning.

En femte hensikt med oppfinnelsen er å maksimalisere nøyak-tigeten av fasekonfigeringen ved en optisk konstruksjon som minimaliserer tapet av faseinformasjon langs den optiske banen.

Laseranordningen kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved at hovedoscillatoren omfatter en oscillator som har meget lav energi, og at forsinkelsemiddel er anbragt mellom nevnte forsterkertrinns forsterkningselement og nevnte fasekonjugeringsmiddel for å sikre at strålingspulser som er koblet langs nevnte optiske bane fra nevnte hovedoscillator traverserer og i alt vesentlig kommer ut fra nevnte laseroperasjonsmediums forsterkningselement, mot nevnte fasekonjugeringsmiddel, før noen reflektert stråling fra nevnte fasekonjugeringsmiddel går inn i nevnte forsterkningselement.

Ifølge en utførelsesform av laseranordningen omfatter nevnte forsinkelsesmiddel omfatter en optisk baneseparasjonslengde mellom nevnte forsterkningselement og nevnte fasekonjugerte reflektor hvis lengde er lik eller større enn en distanse D som defineres av forholdet

D = l/2(-r)cn,

der t er den temporære varighet av strålingspulser som injiseres fra nevnte hovedoscillator, c er lyshastigheten, og n er brytningsindeksen for mediet som traverseres.

Videre er det fordelaktig at nevnte koblingsmiddel har en polarisasjonsavhengig transmittans for stråling fra nevnte hovedoscillator langs nevnte optiske bane, og dessuten innbefatter polarisasjonsroterende middel for å dreie polarisasjonen av stråling som traverserer på ny nevnte forsterkningselement og går ut langs nevnte optiske bane mot nevnte koblingsmiddel. Dette oppnås nærmere bestemt ved at nevnte koblingsmiddel omfatter et høykvalitets optisk, flatt stykke som er anbragt i Brewster's vinkel m.h.t. den optiske bane for utmatningen fra nevnte hovedoscillator, og at nevnte polarisasjonsrotasjonsmiddel omfatter en polarisasjonsrotator, kvartbølgeplate eller frekvensdobler hosliggende nevnte flatstykke. Denne løsningen tilveiebringer isolasjon mellom oscillatoren og forsterkeren.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen omfatter laseranordningen bildedannende middel som er anbragt langs den optiske bane mellom nevnte fasekonjugeringsmiddel og nevnte forsterkningselement for derved å tilveiebringe maksimum overføring av faseinformasjon fra det laseropererende medium i nevnte forsterkningselement til nevnte fasekonjugerte reflektor og tilbake. Dette øker nøyaktigheten av konjugering, virkningsgraden av forsterkningen og metningen, og området av effekter over hvilket anordningen kan operere.

Det er dessuten fordelaktig å la laseranordningen omfatte aberrasjonsmiddel som er anbragt langs nevnte optiske bane mellom nevnte bildedanningsmiddel og nevnte koblingsmiddel for å forvrenge strålingen på en forutbestemt måte for i tilstrekkelig grad å minske intensiteten av strålingen ved fokus for å hindre sammenbrudd.

Ifølge en ytterligere utførelsesform kan laseranordningen omfatte optisk isolasjonsmiddel, f.eks. en plasmalukker, anbragt mellom nevnte hovedoscillator og nevnte koblingsmiddel for ytterligere å hindre laserstråling over en forutbestemt energitetthet fra å gå inn igjen i nevnte hovedoscillator fra nevnte forsterkertrinn.

I tillegg kan laseranordningen omfatte minst et andre laseropererende mediums forsterkningselement anbragt langs nevnte optiske bane mellom nevnte koblingsmiddel og nevnte fasekonjugeringsmiddel. Videre er det en fordel å la bildedannende middel være anbragt langs en optisk bane mellom nevnte forsterkningselement og nevnte andre forsterkningselement for å gi maksimum overføring av faseinformasjon fra et forsterkningselement til det andre forsterknlngselementet og tilbake.

I tillegg kan laseranordningen innbefatte et teleskoperende linsesystem som er anbragt mellom nevnte forsterkningselement og nevnte andre forsterkningselement.

Ifølge en annen utførelsesform av laseranordningen kan den dessuten omfatte fokusmiddel for å fokusere laserstråling inn i nevnte fasekonjugerte middel som er anbragt langs nevnte optiske bane mellom nevnte forsterkningselement og nevnte fasekonjugeringsmiddel.

Ifølge en ennu ytterligere utførelsesform kan nevnte fasekonjugeringsmiddel omfatte et stimulert Brillouin spredningsmedium som opererer på en forutbestemt, ønsket bølgelengde. Dette spredningsmedium kan f.eks. omfatte en bølgeleder eller en omhylling som inneholder et trykksatt gassmedium valgt fra gruppen av metan eller tetrafluormetan.

De nye trekkene ifølge den foreliggende oppfinnelse kan bedre forstås fra den medfølgende beskrivelse sett i sammenheng med de vedlagte tegninger hvor like henvisnings-tall refererer til like deler og hvor: Fig. 1 illustrerer et skjematisk riss av en laseranordning med høy ekstraksjonsvirkningsgrad, i henhold til prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 illustrerer et skjematisk riss av en laser med høy ekstraksjonsvirkningsgrad i henhold til den foreliggende oppfinnelse, som anvender flere forsterkningselementer og det viktige prinsippet med bildedannelse, og Fig. 3 illustrerer en alternativ utførelsesform av den fasekonjugerende reflektoren.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter en laseranordning som anvender en grunnleggende hovedoscillator effektforsterker (MOPA) konfigurasjon som har koblingsmiddel mellom hovedoscillator og forsterkertrinnene samt et forsinkelsemiddel anbragt mellom forsterkertrinnet og en fasekonjugert reflektor for dobbeltgangsrefleksjon. Denne konfigurasjon har fordelen med økt ekstraksjonsvirkningsgrad fra nevnte laserforsterkningsmedia og høy effektutgang.

Prinsippene ifølge oppfinnelsen er ytterligere illustrert i fig. 1 hvor en laser 10 har en hovedoscillator 12 som gir pulser av strålning til å pumpe et enkelt laserforsterk-ningselement 14. I utførelsesf ormen i fig. 1 er hovedoscillatoren fortrinnsvis en gassoscillator og er relativt konvensjonell i konstruksjon. Laseroscillatoren kan omfatte en av flere kjente lasere eller lasertyper og anvende gass, farvestoff eller faststofflasermedia. Laseroscillatoren i den vanlige utførelsesform tilveiebringer en meget høy-kvalitets-utgangsstråle, dvs. enkel radiell og aksiell modusytelse. Imidlertid kunne oscillatorens utmatning konstrueres til å ha en hvilken som helst fasefront som er ønskelig eller nødvendig for laseren 10. Utmatningen fra laseren 10 vil duplisere denne oscillatprfasefronten. MOPA konfigurasjonen i forbindelse med andre elementer som er beskrevet nedenfor øker energiekstraksjonen fra forsterkningselement 14 og tillater derfor oscillatoren 12 å operere på meget lav energi av størrelsesorden noen få millijoule. Dette avviker fra tidligere laserkonstruksjoner og forbedrer ytterligere lettheten med konstruering av en oscillator 12 som har en utmatning av meget høy kvalitet. Dette følger fra det faktum at ved lavere energier og effekter, er moduskvali-tet, divergens og spektralutvidelse lettere å kontrollere.

Typisk opererer oscillatoren 12 på kun 1 til 2 % av forsterkerens 14 energinivå. En ytterligere fordel ved denne konstruksjon er at oscillator-operasjon lettere kan bevirkes til å ha god ytelse under transiente forhold uten vesentlig å påvirke total laservirkningsgrad.

Utmatningen fra oscillatoren 12 kobles inn i forsterknlngselementet 14 under anvendelse av koblingsmiddel 16. Koblingsmiddel 16 omfatter et optisk element som er i stand til å overføre en forut bestemt prosentandel ved oscillatorens utmatning, men ikke all, til den optiske banen som fører til forsterkningselement 14 uten, i forbindelse med element 24, å tillate retur. Den foretrukne utførelsesform ifølge fig. 1 anvender en Brewster-plate som koblingsmiddel. Koblings-midlet 16 kan også bestå av andre elementer som er kjent innenfor teknikken, inklusive, men ikke begrenset til, en polarisator, belagte optiske flate stykker, eller attenua-torer. Koblingsmiddelet 16 er også identifisert her som Brewster-plate 16.

Brewster-platen tjener flere formål. Den definerer et plan forbi hvilke bølgefrontaberrasjoner korrigeres ved fasekonjugering. Alle optiske komponenter som er plassert i det optiske tog etter Brewster-platen får sine aberrasjoner korrigert. Mere viktig tjener den også til å hjelpe med å isolere oscillatoren og forsterkeren fra hverandre. Brewster-platen vil, i henhold til grunnleggende prinsipper for optisk fysikk, reflektere, avhengig av glasstypen som anvendes, ca. 15$ av oscillatorens 12 utmatning inn i forsterkningselementet 14. Dette skjer ved den automatiske separasjon av innfallende oscillator 12 utmatning til to polarisajonsmodi, p og s polarisasjon. Ettersom det vanligvis innrettes at hele oscillatorutmatningen er p polarisasjon, vil kun 15$ av oscillatorutmatning gå inn i forsterkertrinnet. Omvendt vil kun 15$ av enhver forsterket spontan emisjon som har p-polariseringen gå inn i oscillator 12 fra forsterkningselementet 14. Dette omtrentlige 16 dB induserte tap tilveiebringer isolasjon som effektivt hindrer forsterket spontan emmisjon fra å opptre som et resultat av flere passeringer gjennom nevnte forsterkningsmedia og/eller oscillatoren. Hvis dette ikke er tilstrekkelig, kan ytterligere tap innføres enten ved å anvende alternativt glass i Brewster-platen, attenuatorene eller annet middel.

Ovenstående avsnitt retter seg mot viktigheten av isolering av oscillatoren fra forsterkeren før oscillatorpulsen er blitt sendt, men mens forsterkerelementene har høyfor-sterkning. Det er også viktig å isolere eller skjerme oscillatoren fra å bli truffet av høy energi fra forsterkeren etter at oscillatorpulsen har opptrådt. Kombinasjonen av en polariserende Brewster-plate og et polariserende endrings-element anbragt på stedet før elementene 22 eller 24 gjør dette. Hvis enten, det ene eller andre polariseringsendrende element (begge vil ikke bli anvendt samtidig) er en kvart-bølgeplate eller en 45° Faraday-roterer, er kombinasjonen velkjent innenfor teknikken. I dette tilfellet er en Brewster-plate særlig effektiv på grunn av dens ekstremt lille forhold mellom "s"-polarisasjons refleksjon og transmissjon. Hvis element 24 er en frekvensdobler med høy virkningsgrad som opererer i hva som er kjent for teknikken som en 90 graders fasetilpasning, oppnås også effektiv skjermning av oscillatoren.

I den foretrukne utførelsesform i fig. 1 er Brewster-platen 16 et ubelagt optisk flatt stykke, slik at dens skadeterskel er høy. Andre optiske elementer, slik som, men ikke begrenset til, strålesplittere som har flerlags dielektriske belegg kunne anvendes for kobleren 16. Imidlertid har de dielektriske beleggene følgelig lavere skadeterskler. I det tilfellet kunne laseren i0 ikke opereres i så enkel og effektiv konfigurasjon som beskrevet her på grunn av at de høye innflytelsesnivåene som er gunstige for god forsterker-energiekstraksjon ikke kunne anvendes uten skade. Bruken av en ubelagt Brewster-plate gjør forsterkningselementet til det optiske element som begrenser den tillatelige laserstrål-ningsinnflytelse.

Forsterknlngselementet 14 forsterker strålingen som injiseres av kobleren 16 når den traverserer forsterkningselement 14 og går ut langs en optiske bane til en reflektor 20. Reflektoren 20 er en fasekonjugert reflektor som kan omfatte flere kjente fasekonjugeringsmaterialer eller elementer. For den foretrukne utførelsesform og den høyeste virkningsgrad-utmatning, er imidlertid visse fasekonjugeringsmåter ikke velegnet for denne anvendelse. Et fire-bølge-blandings-element, som et eksempel, krever typisk ytterligere pumpings-stråler eller optikk som nødvendiggjør ennu mer effekt og derfor lavere energiforhold mellom utmatning og innmatning samt økt kompleksitet. En annen komplikasjon er det faktum at fire-bølgeblandere også utfører konjugering på vesentlig hvilken som helst innfallende strålingsenergi. Ettersom en viss lavenergi, stimulert emisjon alltid er tilstede, vil den bli reflektert og forsterket, hvilket er et uønsket resultat.

Derfor omfatter den foretrukne fasekonjugerte reflektoren 20 et medium av stimulert spredningstype. Stimulert Brillouin-spredning (SBS) reflektorer induserer en liten bølgelengde-forskyvning som lett kan tolereres av linjebredden i forsterknlngselementet som anvendes i den foretrukne utførelses-formen. Dessuten kan stimulerte Raman-sprednings (SRS) reflektorer anvendes.

En annen meget viktig fordel med en stimulert spredning fasekonjugert reflektor er nærværet av en terskeleffekt. Denne terskeleffekt betyr at fasekonjugering ikke starter å opptre før en minimumsintensitet er tilstede i det medium som omfatter den fasekonjugerte reflektoren 20. I den foretrukne utførelsesform er fasekonjugereren derfor med vilje konstruert til å ha sin terskel høyere enn enhver forventet forsterket spontan emisjon, men tilstrekkelig lavere enn den forsterkede oscillatorpulsen til at effektiv refleksjon skjer.

Terskeleffekten betyr at forsterket, spontan emisjonstrålning fra forsterknlngselementet 14 ikke vil bli reflektert eller fasekonjugert ettersom den hadde en meget lav intensitet. Denne isolasjon tilveiebringes av en SBS-reflektor på en passiv og enkel måte. Slik isolasjon vil være meget vanskelig å oppnå ved hjelp av konvensjonelt middel. Driften av laseren 10 med et ordinært speil og uten kompliserte isolasjonsanordninger av en eller annen type ville ikke være mulig fordi selv-oscillasjon hos forsterknlngselementet, som pumpes til en meget høy forsterkning, med visshet vil opptre. Denne oscillasjon kan ikke opptre med SBS-speilet fordi det kan konstrueres til å ha i alt vesentlig null refleksjonsevne for lavnivå-spontanemisjonen hos forsterknlngselementet.

Plasseringen av den fasekonjugerte reflektoren 20 er også kritisk for funksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse. Tidligere foreslåtte lasere som anvender en fasekonjugert reflektor erkjente ikke betydningen av dette. Derfor var det implisitt tenkt ønskelig å ha den fasekonjugerte reflektoren nær mediet av hensyn til konstruksjon, minsket stråledivergens eller andre årsaker. Dette er imidlertid ikke tilfellet. Transittiden for stråling som reflekteres fra reflektoren 20 er en viktig faktor som bidrar til laserens 10 virkningsgrad.

Oscillatoren 12 injiserer en strålningspuls langs den optiske banen gjennom forsterknlngselementet 14 til reflektoren 20. Denne puls har en viss bestemt varighet, typisk pulser av størrelsesorden 10 til 30 nanosekunder som til-svarer en fysisk lengde av 10 til 30 fot (3,05 m til 9,15 m)

(basert på omtrentlig 1 fot/nanosekund (0,305 m/nanosekund)). Samtidig er forsterknlngselementet vanligvis noen få tommer av lengde. Selv om forsterknlngselementet var flere fot langt, er det klart at oscillatorpulsen ville bevege seg gjennom forsterkeren en del av gangen.

Når dette er tilfellet, hvis reflektoren 20 er for nær forsterknlngselementet 14, vil pulsfronten starte med å bli reflektert fra reflektoren 20 før hele pulsen er gått klar av forsterknlngselementet 14. Det som derfor skjer med tidligere løsninger på fasekonjugering og særlig flerpas-serings-forsterkning generelt, er at noe av pulsen returnerer til forsterknlngselementet før hele pulsen har gått gjennom den første passering. Dette betyr, at mens noe av den initielt injiserte pulsen fortsatt forsterkes, tar noe av den returnerte pulsen allerede energi ut av det pumpede forsterkningsmedium.

I form av detaljerte laserforsterkningsprosesser, blir en puls som traverserer et forsterkende medium forsterket ved å skape emisjon fra energetisk pumpede atomer eller molekyler som er tilstede. For en liten energimengde i pulsen er forsterkningen høy, dvs. eksempelvis et forhold av 100 til 1. Den samme prosess opptrer for den reflekterte pulsen med en hovedforskjell. Den returnerende pulsenergien er allerede høy (forsterket) slik at forsterkningen er mettet og forholdet derfor lavere, f.eks. 10 til 1.

Forsterkning er generelt proporsjonal med den lagrede energi i en forsterkers forsterkningselement. Laseren 10 er konstruert på en slik måte at maksimal ekstraksjon av den lagrede energi skjer ved den lille eller andre passering av stråling gjennom forsterknlngselementet 14. Under anvendelse av teknikker som er kjent innenfor teknikken med laserkontruksjon, blir forsterkningselement-karakteristika og oscillatorenergi justert slik at første passerings forsterkning er høy og forsterkningselementmediet mettes ved returpulsen, hvilket resulterer i meget høy energi og effektiv ekstraksjon fra forsterkningselementmediet. Det er ikke mulig å ha høy forsterkning i et forsterkerelement med mindre det er godt isolert.

Hvis den første strålingsgang skjer samtidig med den andre, erfarer de senere deler av de inngående pulser meget liten forsterkning på grunn av at en vesentlig andel av den lagrede energi, og derfor forsterkning, allerede er blitt fjernet. I dette tilfellet vil ikke hele den initielle puls bli forsterket, hvilket resulterer i at den reflekterte puls ikke har tilstrekkelig energi til å sikre metning på returgangen. For å uttrykke det på en annen måte, selvom noe av den initielle puls forsøker å oppnå energi, vil returpulsen på en høyere energi allerede utarme mediet. Den siste delen av den inngående puls fra oscillatoren 12 vil ikke bli adekvat forsterket på grunn av denne utarming. Som et resultat, når reflektert fra den fasekonjugerte reflektoren 20, ville den siste delen av pulsen heller ikke mette forsterkermediet ved retur, hvilket resulterer i mindre optimal utmatning. Tidligere var en foreslått løsning på dette problem å anvende en oscillator med høyere energi for å tilveiebringe pulser initielt med tilstrekkelig energi til å utføre total ekstraksjon på den siste passeringen. Dette skaper andre problemer. Først behøves en høykvalitetsoscillator med høyere energi og effekt, og derfor vanskeligere og ineffektiv å realisere. Deretter må Brewster-platen 16 og reflektoren 20 være i stand til effektivt å reflektere høyere energimengder; tap i den ene eller den andre har en større effekt på laservirknings-graden. For det tredje opptrer større forvrengning av den temporære konstruksjonen av pulsen.

Laseren 10 løser disse problemer ved å anvende en optisk forsinkelse mellom fasekonjugert reflektor 20 og forsterk-nignselement 14 for å sikre at hele den initielle pulsen har traversert mediet før returnering. Bruken av forsinkelses-banen fjerner energiekstraksjons-vanskeligheten i konfigura-sjoner uten forsinkelse. Maksimalt mulig forsterkning oppnås under den første strålingspassering på grunn av at forsterknlngselementet 14 har høy, ikke-utarmet, lagret energi på denne passeringen. Høy ekstraksjon oppnås så på den andre på grunn av at forsterkningen blir minimalt utarmet og oscilla-torenergien ble valgt slik at den første passering forsterket den over metningsinnflytelsen for forsterkeren.

Den optiske forsinkelse realiseres i den foretrukne utførel-sesform i fig.l som en optisk bane 26 hvis lengde D velges til å være lik eller større enn distansen 1/2 t cn, hvor c er lyshastigheten, som lys beveger seg under pulsvarighet t for oscillatoren 12, og n er brytningsindeksen for mediet som traverseres. Pulsen fullfører således den første traverser-ing av forsterkeren før den begynner på den andre. Dette trekk tillater meget effektiv drift av forsterkeren med liten oscillatorenergi.

Den nå forsterkede puls som går ut av forsterknlngselementet 14 møter på ny koblingsmiddelet 16. Hvis polariseringen av pulsene dreies nær 90 grader fra inngangspolariseringen, passerer så pulsen ut av laseren 10. Minnes man selvfølgelig den tidligere omtale hva angår overføringen av 15% av energien ved refleksjon fra Brewster-platen, ville kun 15% av energien av ikke-polarisasjonsdreide pulser returnere mot oscillatoren 12.

For å oppnå den ønskede, høye prosentandel utmatning og lave prosentandelrefleksjon tilbake til oscillatoren 12, blir utmatningen fra forsterknlngselementet 14 lineært polarisert perpendikulært på innmatningen fra oscillatoren. Dette oppnås ved å anvende ett av flere midler som innbefatter å anvende en frekvensdobler, kvartbølgeplate, eller en 45° Faraday-roterer. Utførelsesformen som er vist i fig. 1 anvender en Faraday-roterer eller kvartbølgeplate som er plassert enten mellom forsterknlngselementet 14 og reflektoren 20 ved 22 eller mellom Brewster-platen 16 og forsterkningselementet 14 ved stedet 24, eller en frekvensdobler ved stedet 24. Utmatningen kan således passere gjennom Brewster-platen uten tap. Bemerk at 22 og 24 kan representere forskjellige optiske elementer i forskjellige utførelses-former.

Slik som beskrevet, behøves en komponent i forsterkerkjeden som endrer polarisering av strålen. Hvis et depolariserings-kompenserende fasekonjugeringsspeil anvendes, vil et ikke-vekselvirkende element, slik som en Faraday-roterer eller frekvensdobler være nødvendig.

Selvom de fleste av de grunnleggende prinsipper ifølge den foreliggende oppfinnelse er vist i fig. 1 kan ytterligere elementer anvendes for å forbedre laserens 10 utmatning. Disse tilføyelser er vist i fig. 2 hvor en laser 100 er illustrert under anvendelse av den grunnleggende MOPA konfigurasjon. Elementer som har et tall lik det i fig. 1 er de samme, således elementer 112, 114, 116 o.s.v. er ekviva-lente i funksjon med 12, 14, 16 o.s.v. i fig. 1.

I fig. 2 tilveiebringer en hovedoscillator 112 pulser for pumping av laserforsterkningselementer 114a og 114b. Flere forsterkningselementer anvendes for å oppnå økt energi og/eller effektutmatning. I den viste utførelsesform anvendes to staver som er adskilt for derved å hindre forsterket spontan emisjon (ÅSE) mellom disse. Imidlertid kan enhver tverrgående geometri som er forenlig med ASE-betraktninger anvendes.

Når der anvendes flere forsterkningselementer, styres aperturstørrelsen for hvert element slik at hvert suksessive element er mindre enn det foregående. På grunn av at den fasekonjugerte reflektoren har en bestemt refleksjonsevne, gjør virkningsgradbetraktninger det ønskelig å reflektere små energimengder fra den. Hvis flere forsterkere av gradert størrelse anvendes, vil den energi som går tapt til den fasekonjugerte reflektoren være liten. I en realisering av den foreliggende oppfinnelse ble omtrentlig 20 mJ tapt på denne måte: utmatning var 85 0mJ. Energimengden på reflektoren var omtrentlig 100 mJ.

Oscillatorens 112 inngangsdel av laseren 100 har ytterligere elementer tilstede for økt beskyttelse av oscillatoren mot tilfeldig forsterkerutmatning. Når en frekvensdobler 124 innbefattes i laseren 100 hosliggende forsterknlngselementet 114, blir 15 prosent av den resterende ikke-doblede energi reflektert tilbake mot oscillatoren ved hjelp av Brewster-platen 116. Dette kunne skade oscillatoren. Dette kan også skje når noe annet enn frekvensdobleren anvendes, dersom vesentlig depolarisering er tilstede som tillater en stor prosentandel av utmatningen å ha den samme polarisasjon som innmatningen. For å hindre denne skade blir et positivt linseteleskop 130 anordnet som en plasmalukker i den optiske banen for oscillatorutmatningen. Teleskopet 130 omfatter linseelementer som fokuserer strålingen til et smalt midt-parti eller punkt. Linsen velges slik at luftgnister vil opptre for et energinivå over det for oscillatorutmatningen med en faktor som tar i betraktning skadetoleranse av de relavante komponenter.

En Brewster-vinkel polariserende strålesplitter 118 tjener igjen til å rense polariseringen hos oscillatorens 112 utmatning som i fig. 1, og tjener også som en hensiktsmessig, bevegelsesufølsom fold, i forbindelse med Brewster-platen 116.

Hvis ytterligere beskyttelse eller isolasjon ønskes, kan en Brewster-vinkel eller annen passiv mettbar absorbererfarge-stoff Q-omveksler plasseres mellom hovedoscillatoren og forsterkerelementene og en fler-etalon anvendt for oscillator utgangskobling. Dette hjelper også til med å beskytte oscillatoren mot tilfeldig forsterkerutmatning og å hindre isolasjon av oscillatoren og forsterker fra pre-laseropera-sjon forut for Q-omvekslers åpning.

En enkel apertur som kan være apodisert eller ikke, eller endog bestå av stavenden, anvendes til å definere for-sterkerstrålen nær feltpunktstørrelse. Det er viktig at kun én strålebegrensende apertur påtreffes av strålen.

Utførelsesformen i fig. 2 illustrerer dessuten en annen forbedring som tilveiebringes for virkningsgraden av laser-drift ved bruk av den foreliggende oppfinnelse. Anbragt på flere punkter langs den optiske banen av laseren 100 er en rekke av linser som anvendes som bildedanningselementer 128a, b, c og linser 132 som anvendes for ellers endrende stråle-forplantning. Disse linser muliggjør forbedret drift av laseren 100 ved å overføre i alt vesentlig hele faseinformasjonen fra forsterkningselementene gjennom eller til hverandre og den fasekonjugerte reflektoren 118.

For å oppnå god fasekonjugeringsnøyaktighet må i alt vesentlig hele faseinformasjonen i strålen oppsamles av den fasekonjugerte reflektoren 120. Ettersom en stråle traverserer en lang optisk hane, opptrer diffraksjon, og faseinformasjonen som vedrører aberrasjoner som har mindre tverrgående målestokk enn hele strålen, spres i en divergerende vinkel som blir større i omvendt forhold til den tverrgående størrelsen av aberrasjonen. Hvis energien på disse større vinkler fjernes av aperturer ellers i den optiske banen før den når fasekonjugereren, vil den faseinformasjon som den bærer tapes og nøyaktigheten er tilsvarende dårligere. Optiske elementer som er andre enn bevisste aperturer kan i realiteten, selvom utilsiktet, ha denne virkning. Hvis eksempelvis, i fig. 2, ett av trekkene (linse 128) ifølge denne oppfinnelse ikke var innbefattet, ville den ytre diameteren av forsterkningselement 114b fjerne faseinformasjon som introduseres i strålen av forsterkningselement 114a. Element 128a er en linse som er plassert på en slik måte, kjent innenfor teknikken, at den danner bilde av apparaturen av element 114a inn i den for 114b. Den tverrgående stør-relse av element 128a velges ved konstruksjon til å være slik at tilstrekkelig av den divergerende faseinformasjon oppsamles til å gi den ønskede nøyaktighet.

Denne bildedanningsteknikk er ikke tidligere blitt anvendt for laseroscillator/forsterkere, med eller uten fasekonjugering. En grunn til dette er at bildedannelsen resulterer i at strålen fokuseres på et eller annet punkt mellom hva som er kjent innenfor teknikken som objektet og bildeplanene. Dette er et problem i høyeffektslasere på grunn av at luftsammen-brudd eller materialskade nær fokus opptrer så fremt ikke fokus er i et evakuert kammer. I den foreliggende oppfinnelse blir dette problem imidlertid styrt på to måter. For det første blir ytterligere linser 132 i bildeplanene anvendt til å posisjonere fokusene vekk fra optikken. Dernest blir en aberrator 136 som med vilje forvrenger fasefronten av strålen på en styrt måte plassert i eller nær ett av bildeplanene. Dette resulterer i at fokusene ikke er tilstrekkelig intense til å bevirke luft eller gass-sammenbrudd. Den andre teknikken virker kun dersom reflektroren 120 er fasekonjugerende. Bildedanningsteknikken kan anvendes på samtlige optiske forsterkere.

På grunn av at distansen mellom forsterkningselementene 114a, 114b og den fasekonjugerende reflektoren 120 kan være stor, anvendes ytterligere formidlende bildedannelselinser 128b og 128c, i utførelsesformen ifølge fig. 2. Foldings-reflektorer 134 kan omfatte prismer eller konvensjonelle speilelementer som er egnet for intensiteten, energitetteten og bølgelengden som er av interesse. Bruken av foldings-elementer 134 tillater en lang optisk forsinkelsesbane 126 å bli etablert i et kort laserapparat.

Den fasekonjugerte reflektoren 120 er igjen fortrinnsvis en reflektor av Stimulert Brillouin Sprednings (SBS) typen. En eksempelvis SBS reflektor ville være metan eller tetrafluormetan i en trykksatt gasscelle som har et optisk klart inngangsvindu. Den foreliggende oppfinnelse er imidlertid ikke begrenset til disse media, eller til SBS prosessen. Andre ulineære optiske prosesser og andre former av media, slik som væsker, faststoffkrystaller, glass og plasmaer kan anvendes, slik det vil forståes av fagfolk på området av fasekonjugering.

Andre geometrier for den fasekonjugerte reflektoren kan med fordel anvendes. En utførelsesform er kort vist i fig. 3. Her er element 222 en aberrator 222 som ville bli plassert i bildeplanet for en linse 128c på den samme måte som aberra-toren 122. Linsen 232 plasseres slik at der frembringes et forminsket bilde av aberrator 222 i inngangsflaten for en lysleder 220 som danner det ulineære optiske medium som frembringer fasekonjugering. Lyslederen kan være et fast optisk fiber eller et rør fylt med tilsvarende gass eller flytende media som de som er angitt ovenfor. Fordelen med denne geometri er at i alt vesentlig all faseinformasjon samles av den fasekonjugerte reflektoren 220, hvilket "betyr at den opprettholder nesten perfekt fast fasekonjugering. Dette i sin tur forbedrer bølgefronten i forsterkningselementene og derfor overføringen av energi og virkningsgraden for laseren 100.

Den fasekonjugerte reflektoren for utførelsesformen som er beskrevet består av en celle som er 15,24 cm lang (6 tommer) fylt med trykksatt metan eller tetrafluormetan inn i hvilken strålen blir fokusert med anvendelse av en linse med fokal-lengde 100 mm. Fasekonjugering ble oppnådd ved bakover SBS. Terskel for anordningen som er beskrevet opptrådte ved ca. lOmJ.

Et optisk skjematisk riss er vist i Fig. 2 av en anordning hvor 850mJ av i alt vesentlig diffraksjonsbegrenset utgangs-energi, med 10 pulser per sekund, er blitt demonstrert med bruken av 2 NdrYAG staver som er 7,62 cm lange (3 tommer) (en med diameter lik 0,635 cm (1/4 tomme) og den andre 0,794 cm (5/16 tomme)) som forsterkertrinn og en oscillator som har en 12mJ utmatning.

Claims (15)

1. Laseranordning som anvender en hovedoscillator, effektforsterkerkonfigurasjon, der en hovedoscillator tilveiebringer en strålingskilde som injiseres inn i et forsterkende trinn hvor den forsterkes til å gi laserutgangsstråling med høyere effekt, omfattende

   en hovedoscillator (12) som dessuten omfatter en laseroscillator med lavenergi, høy fasefrontkvalitet, og høy spektralrenhet,

   et forsterkertrinn som omfatter minst et forsterkningselement (14) for laseroperasjonsmedium, anbragt langs en optisk bane langs hvilken utgangsstråling fra nevnte hovedoscillator rettes,

   koblingsmiddel (16) for selektivt å koble en forutbestemt prosentandel av utgangsstrål ingen fra nevnte hovedoscillator langs nevnte optiske bane og inn i nevnte forsterkningselement mens det hindres at samtlig, unntatt en forutbestemt prosentandel av enhver forsterket stråling som går ut av nevnte forsterkertrinn går inn igjen i nevnte hovedoscillator ,

   fasekonjugeringsmiddel (20) som også er anbragt langs nevnte optiske bane på den motsatte side av nevnte forsterkningselement som nevnte koblingsmiddel, for å reflektere den fasekonjugerte av laserstråling som er innfallende på dette, karakterisert ved

   at hovedoscillatoren omfatter en oscillator som har meget lav energi, og

   at forsinkelsemiddel er anbragt mellom nevnte forsterkertrinns forsterkningselement og nevnte fasekonjugeringsmiddel for å sikre at strålingspulser som er koblet langs nevnte optiske bane fra nevnte hovedoscillator traverserer og i alt vesentlig kommer ut fra nevnte laseroperasjonsmediums forsterkningselement, mot nevnte fasekonjugeringsmiddel, før noen reflektert stråling fra nevnte fasekonjugeringsmiddel går inn i nevnte forsterkningselement.
2. 2. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert

   ved at nevnte forsinkelsesmiddel omfatter en optisk baneseparasjonslengde mellom nevnte forsterkningselement og nevnte fasekonjugerte reflektor hvis lengde er lik eller større enn en distanse D som defineres av forholdet

   D = l/2(-r)cn, der t er den temporære varighet av strålingspulser som injiseres fra nevnte hovedoscillator, c er lyshastigheten, og n er brytningsindeksen for mediet som traverseres.
3. 3. Laseranordning som angitt i krav 1,karakterisert ved at nevnte koblingsmiddel har en polarisasjonsavhengig transmittans for stråling fra nevnte hovedoscillator langs nevnte optiske bane, og dessuten innbefatter polarisasjonsroterende middel for å dreie polarisasjonen av stråling som traverserer på ny nevnte forsterkningselement og går ut langs nevnte optiske bane mot nevnte koblingsmiddel.
4. 4. Laseranordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte koblingsmiddel omfatter et høykvalitets optisk, flatt stykke som er anbragt i Brewster's vinkel m.h.t. den optiske bane for utmatningen fra nevnte hovedoscillator, og at nevnte polarisasjonsrotasjonsmiddel omfatter en polarisasjonsrotator, kvartbølgeplate eller frekvensdobler hosliggende nevnte flatstykke.
5. 5. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved dessuten å omfatte bildedannende middel som er anbragt langs den optiske bane mellom nevnte fasekonjugeringsmiddel og nevnte forsterkningselement for derved å tilveiebringe maksimum overføring av faseinformasjon fra det laseropererende medium i nevnte forsterkningselement til nevnte fasekonjugerte reflektor og tilbake.
6. 6. Laseranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved dessuten å omfatte aberrasjonsmiddel som er anbragt langs nevnte optiske bane mellom nevnte bildedanningsmiddel og nevnte koblingsmiddel for å forvrenge strålingen på en forutbestemt måte for i tilstrekkelig grad å minske intensiteten av strålingen ved fokus for å hindre sammenbrudd.
7. 7. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved dessuten å omfatte optisk isolasjonsmiddel anbragt mellom nevnte hovedoscillator og nevnte koblingsmiddel for ytterligere å hindre laserstråling over en forutbestemt energitetthet fra å gå inn igjen i nevnte hovedoscillator fra nevnte forsterkertrinn.
8. 8. Laseranordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at nevnte optiske isolasjonsmiddel omfatter en plasmalukker.
9. 9. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at dem dessuten å omfatte minst et andre laseropererende mediums forsterkningselement anbragt langs nevnte optiske bane mellom nevnte koblingsmiddel og nevnte fasekonjugeringsmiddel.
10. 10. Laseranordning som angitt i krav 9, karakterisert ved dessuten å omfatte bildedannende middel som er anbragt langs en optisk bane mellom nevnte forsterkningselement og nevnte andre forsterkningselement for å gi maksimum overføring av faseinformasjon fra et forsterkningselement til det andre forsterknlngselementet og tilbake.
11. 11. Laseranordning som angitt i krav 9, karakterisert ved dessuten å innbefatte et teleskoperende linsesystem som er anbragt mellom nevnte forsterkningselement og nevnte andre forsterkningselement.
12. 12. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved dessuten å omfatte fokusmiddel for å fokusere laserstråling inn i nevnte fasekonjugerte middel som er anbragt langs nevnte optiske bane mellom nevnte forsterkningselement og nevnte fasekonjugeringsmiddel.
13. 13. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fasekonjugeringsmiddel omfatter et stimulert Brillouin spredningsmedium som opererer på en forutbestemt, ønsket bølgelengde.
14. 14. Laseranordning som angitt i krav 13, karakteri- sert ved at nevnte stimulerte Brillouin spredningsmedium omfatter en bølgeleder.
15. 15. Laseranordning som angitt i krav 13, karakterisert ved at nevnte stimulerte Brillouin spredning medium omfatter en omhyll ing som inneholder et trykksatt gassmedium valgt fra gruppen av metan eller tetrafluormetan.