DE2131615C3 - Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit hoher Pulsfolgefrequenz - Google Patents

Description

Av \

2 (i · /., ■ cos H

und für die Handbreite

(I · K) cos H
2 ι η ■ L₁

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wählbar sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, η der Brechwert des Interferometers, /./die Interferometerdicke und R der Reflexionsfaktor ist.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem stimulierbaren Lasermedium (3) und dein Interferenzfilter (6) cine das vom Interferenzfilter reflektierte Licht ausblendende Optik (13 bis 15) vorgesehen ist.

3. Laseranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (4) ein Phasen- oder Amplitudenmodulator ist, der mit der Frequenz Δν\ betrieben wird.

4. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (4) extern durch einen Frequenzgenerator angesteuert ist.

5. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (4) durch emittiertes Laserlicht selbst angesteuert ist.

6. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch ^ gekennzeichnet, daß der Modulator (4) unter dem Brewsterwinkel geneigte Lichteintritts- und -austrittsflächen besitzt.

7. Laseranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- <,< > net, daß cine Vorrichtung zur Änderung der Resonatorlänge für eine automatische Anpassung der Frequenzen der Axialmoden an die Maxima der Transmissionsbereiche des Interferenzfilters vorgesehen ist. (,_s

8. Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Rcsonatorspiegcl eine erste piezoelektrische Scheibe /ur nichtperiodisehen Änderung der Resonatorlänge bei Anlegen einer Gleichspannung an die Scheibe und an dieser Scheibe eine anschließende zweite piezoelektrische Scheibe zur periodischen Änderung der Resonatorlänge angeordnet ist, an die zur Ermittlung der obengenannten Frequenzanpassung eine Wechselspannung h angelegt ist.

9. Laseranordnung nach den Ansprüchen 7 und 8, gekennzeichnet durch einen externen Frequenzgenerator mit der konstanten Frequenz /j, der die zweite piezoelektrische Scheibe ansteuert, durch einen lichtelektrischen Empfänger der die cmiuiene Strahlung demodulieri, durch ein Filter, das nur die Frequenz /2 passieren läßt und durch eine Regeleinrichtung, die nur bei Ansteuerung durch die Frequenz h eine Änderung einer Gleichspannung erzeugt.

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit hoher Pulsfolgefrequenz

bei der außer dem stimulierbaren Medium ein Modulator und ein Interferenzfilter mit planparalielen Stirnflächen als Modenselektor innerhalb eines optischen Resonators angeordnet sind.

Ein Laserlichtpuls wird dazu benötigt, in Form der Pulscodemodulation Nachrichten zu übertragen. Da die übertragbare Informationsmenge umgekehrt proportional zum Impulsabstand ist, benötigt man Laser, die einen Puls mit sehr kurzen Impulsabständen erzeugen. Außerdem muß der Puls sehr stabil emittiert werden.

Ein Laser, der einen Puls emittiert, enthält bekanntlich einen passiven oder ak'iven Modulator. Ein in den Laser eingebrachter Modulator bewirkt dann ganz allgemein einen Energieaustausch zwischen den axialen Moden des Laserresonators. Da der Abstand ta zwischen zwei Impulsen von der optischen Länge /. des Resonators abhängt

/2 L

muß ihm ein Modulafionssignal mit der Pulsfolgefrequenz Λ = c/2L zugeführt werden. Hohe Folgefrequenzen lassen sich deshalb durch kurze Resonatorlängen L erreichen, was freilich die Ausgangsleistung des Lasers beeinträchtigt.

Die Impulsfrequenz, läßt sich nun dadurch erhöhen daß man den Modulator mit einem ganzzahliger Vielfachen m der Frequenz A == c/2/. moduliert. Wire der Modulator mit der Frequenz f\ = /JJ · c/2/ betrieben, dann kann nur Energie zwischen Moder ausgetauscht werden, die den Impiilsfolgefrequenzabstand f\ = /j) ■ c/2L haben. Auf diese Weise entstehcr /11 Pulsreihen mil jeweils den liiipulsabständcn I/Zi.dii nicht miteinander gekoppelt sind, so daß ein sehi instabiler Gesamtpuls entsteht.

Im folgenden wird ein Filiervorgang mit einen Interferenzfilter erklärt: Ein auf das Interferenzfiltei einfallender Lichtimpuls wird im Inneren des lnterfe rcnzfilicis mehrfach reflektiert. Bei jeder Rcflexior gelangt ein Impuls am Ausgang heraus. Aus einen

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einfallenden Impuls werden somit mehrere zeitlich hintereinanderliegende Impulse erzeugt. Wenn der räumliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Impulse ei" m-faches (m = natürliche Zahl) iL-r lnterferenzfiUerdicke ist, so beträgt der Impulsabstand l/;?j-tel des ursprünglichen, tine erhöhte Impulsfoigefrequenz bedeutet aber eine verringerte Modenzahl. Durch eiae bestimmte Dicke des Interferenzfiltermaterials in Abhängigkeit von der einfallenden Puisfoigcfre-quenz geüiigi es dann, aus der vorhandenen Anzahl von Moden eine feste Anzahl herauszufiltern.

In der DT-OS 18 15 337 wird ein derartiges Verfahren beschrieben, das ebenfalls zu erhöhten Pulsfolgefrequenzen führt. Dort ist innerhalb des optischen Resonators eines Lasers außer dem stimulierbaren Medium ein Modulator und ein Interferenzfilter als Modenselektor angeordnei. Das Interferenzfilter ist ein in Transmission betriebenes Interferometer, durch welches die optische Weglange des optischen Resonators in mindestens zwei optische Teilweglängen verzweigt wird, derart, daß Teilstrahlen der im Resonator /irkulierenden, zu verstärkenden Lichtstrahlen gleichzeitig mindestens 2Teiiresonatoren durchlaufen.

Du sich die optischen Weglängen der Lichtstrahlen bei 2 Kanälen des Resonators um einen Faktor m(m = ganze Zahl) unterscheiden, weist der Gütefaktor für die axialen Moden des Hauptresonators in jedem m-icn axialen Modus ein Maximum auf. Die in dieser Offenlegungsschrift benutzte Anordnung hai die Wirkung, daß die axialen Moden eines Lasers in Frequenzbereichen der Minima des Gütefaktors nur etwas geringere Verluste haben als die übrigen axialen Moden. Da der zweite Resonator an den Haupt resonator nur schwach angekoppelt ist, entsteht hier ebenfalls ein instabiler Puls, da wiederum mein ere Modegruppen anschwingen können, d.h. mehrere in sich gekoppelte Gruppen mit jeweils den Frcqtienzabsiändcn /' = m ■ c/2L. wobei aber die einzelnen Gruppen keine Verbindung miteinander haben.

Außerdem weist dort der frequenzabhängige Gütefaktor und damit die Transmissionskurve der axialen Moden einen sinusföi migen Verlauf auf. Innerhalb einer halber, Periode der Sinuskurve können dort deshalb entweder nur ein Modus mit einem maximalen Gütefaktor und ein Modus mit einem minimalen Gütefaktor oder ein Modus mit einem maximalen Gütefaktor, ein Modus mit einem minimalen Gütefaktor und mindestens ein weiterer Modus mit einem mittleren Gütefaktor untergebracht sein. Un ersten Falle kann nur jeder zweite Modus den minimalen Gütefaktor aufweisen, im anderen Falle aber ist der Gütefaktor für mindestens einen weiteren Modus so hoch, daß dieser Anlaß zur Verstärkung im stimulierbaren Medium gibt.

Es ist dort deshalb sicher nicht möglich, beliebig viele axiale Moden zwischen zwei Moden mit maximalen Gütefaktoren zu unterdrücken und dadurch letztlich einen Puls mil einer beliebig hohen Pulsfolgefrequenz zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung isi es, eine Lasuranordnung zur Erzeugung eines Pulses mit einer beliebig hohen Pulsfolgefrequenz anzugeben, der sehr stabil emittier! wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß zum Zweck der völligen I Inierdri'ickung linerwünschicr benachbarter Eigenschwingungen nut dem Frequenzabstand Δνο der Brechungswinkel H. d.h. (inriiMiii'c Winkel, den der aus der optischen Ailise des optischen Resonators im Interferenzfilter gebrochene Strahl mit der Normalen der pianparalielen Stirnflächen diese^c Imerferenzfilters bildet, frei wählbar und so einstellbar ist, dali sowohl die Pulsfolgetrequenz, die gleich dem Frequenzabstand {Δνι) ist, als auch die Transmissionsbandbreite B weitgehend unabhängig voneinander entsprechend den Beziehungen für den Frequpn/abstand

Δν\ - ,

2 Ii ■ L₁ cos (-)
und für die Bandbreite

Ii

Kl cos (■>
2.7 11- /.,

wählbar sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, η der Brechwert des Interferenzfilters, Li die Interferometerdicke und R der Reflexionsfaktor ist.

Zunächst wird nach der ersten Beziehung der gewünschte Frequenzabsland Δν\ über den Brechwert η und die Dicke /./des Interferenzfilters sowie über den Neigungswinkel θ eingestellt und sodann die Transmis-Monsbandbreite B durch Vorgabe des Reflexionsfaktors R des Interferenzfilters nach der zweiten Beziehung so stark verringei t. daß bereits die im Abstand c/2/.dem zu transmittierenden axialen Mode benachbarten Axialmoden mehl in den vom Transmissionsband überdeckten Frequenzhereich !allen.

Als Interferenzfilter kann jede Anordnung dienen, die aus einem einfallenden Laserstrahl mehrere miteinander interterenzfähige Strahlen erzeugt. Im einfachsten !"all isi dies ein Quar/quader.

Zur Vermeidung von Störungen des Laserbetriebes soll das am Interferenzfilter reflektierte Licht nicht in das verstärkende Medium zurückgelangen. Dies wird vorteilhal'crweise dadurch erreicht, daß zwischen dem stimulierbaren Lasermedium und dem Interferenzfilter eine das >om Interferenzfilter reflektierte Licht ausblendende Optik vorgesehen ist. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen ausblendenden Optik wird in der Figurenbeschreibung näher erläutert.

Zur Modulation des Lichtes wird insbesondere ein Phasen- oder Amplitudenmodulator verwendet. Dieser Modulator kann entweder von außen durch einen Frequenzgenerator angesteuert werden oder durch das emittierte Laserlicht selbst. Im letzteren Falle führen ungewollte üejustierungen des interlcrenzfilters und des ganzen Laseiresonators oder mangelhafte Frequenzkonstanz eines externen Frequenzgenciators nicht mehr zu Störungen des Laserbetriebes.

Von Vorteil ist es auch, wenn, wie schon bekannt, der Modulator unter dem Brewsterwmkel geneigte l.ichieintritts- und -austrittsflachen besitzt. Dadurch werden nämlich unerwünschte Verluste vermieden.

Auch eine bekannte Vorrichtung zur Änderung der Resonatorlänge für eine automatische Anpassung der [■", .quen/en der Axialinoden an die Maxima der 'Iransmissionsbcieiche des Interferenzfilters erweist sich .ils vorteilh.itt. Dn/u wird insbesondere an dem einen Resonatorspiegel eine erste piezoelektrische Scheibe zur nichtperiodischen Änderung der Resonatorlänge bei Anlegen einer Gleichspannung an die Scheibe und an dieser Scheibe eine anschließende / wvi'.e imvoelektrische Scheibe zur periodischen Änderung angeordnet, .in die zur Ermittlung der obengenannten I-requenzanpassung eine Wechselspan

niing Ii angelegt ist. Ferner wird insbesondere ein externer Frequenzgenerator mit der konstanten Frequenz h verwendet, der die zweit«: piezoelektrische Scheibe ansteuert, außerdem ein lichtelektrischer Empfänger·, der die emittierte Strahlung demoduliert, s ein Filter, das nur die Frequenz /: passieren läßt und eine Regeleinrichtung, die nur bei Ansteuerung durch die Frequenz. /.» eine Änderung einer Gleichspannung erzeugt. Die automatische Anpassung der Frequenzen der Axialmoden an die Maxima der Transmissionsberci- m> ehe des Interferenzfilters geschieht nun so, daß die zweite piezoelektrische Scheibe durch den externen irequenzgencrator mit der konstanten Frequenz, h angesteuert wird, wodurch wegen der periodischen Änderung der Resonatorlänge die Axialmoden mit der is Frequenz (: moduliert weiden, wenn die Frequenzen der Axialmoden nicht mil den Maxima der Transmissionsbereichc zusammenfallen, und mit der Frequenz 2h moduliert werden, wenn die Frequenzen der Axialmoden mit den Maxima der Transmissionsbereiche zusammenfallen. Der am Laserausgang ungeordnete lichtelektrische Empfänger demoduliert die emittierte Strahlung und leitet sie über das /?- Filter der Regeleinrichtung zu, welche die ResonaloHangc über die erste piezoelektrische Scheibe ändert, solange die 2s Regeleinrichtung die Frequenz Ϊ: erhält.

Der Frequenzgenerator zur Ansteuerung der zweiten piezoelektrischen Scheibe wird insbesondere nur zu aromatischen Anpassung eingeschaltet.

Zum besseren Verständnis wird nun auf die folgenden Figuren verwiesen.

I 1 g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Faseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses:

I' i g. 2 bis 5 zeigen Diagramme zur F/Iäiüenmp der Erfindung, und is

F 1 g. b zeigt ein weiteres erfindurigsg· luaß^s A,usfüh-

durch Vorgabe des Reflexionsfaktors W des Interferometers gemäß der Beziehung

rungsbcispsc'

1.1

Die F i g. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausfiih rungsbeispiel, bei dem der aktive Modulator durch das von der Faseranordnung ausgcsaruiie l.ici. mM'psi .jo angesteuert wird. Die Anordnung besieht aus den beiden Resonatorspiegcln 1 und 2. dem stimulierbaren Medium 3. dem Modulator 4 und einem geneigt angeordneten Interferenzfilter 6. Das stimulierbare Medium 3 kann ein Festkörpermedium (z. B. 4«, YAG.Nd^{i +} ) oder ein gasförmiges Medium i?.. B. He-Ne), das in einem Entladungsrohr eingeschlossen ist. sein. Über eine nicht eingezeichnete Anregungslichtquelle wird in dem stimulierbaren Lasermedium 3 eine Überbesetzung zur Lichtverstärkung hergestellt. Da durch wird Laserlicht in den Axialmoden des Lasers erzeugt. Die Abstandsfrequenz der Axialmoden beträgt 4vo = cllL mit c = Lichtgeschwindigkeit und L = Resonatorlänge. Die entstehenden axialen Moden haben in der Laseranordnung eine Güte, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Ihre Frequenzen unterscheiden sich um jeweils gleiche Beträge, ihre Güte ist gleich groß. Infolge der Neigung kann das am Interferenzfilter reflektierte Licht nicht in das stimulierbare Medium zurückgelangen und zu störender Selbsterregung führen.

Der gewünschte Frequenzbereich Avt wird über den Brechwert η und die Dicke U des Interferenzfilters sowie über den Neigungswinkel θ nach der Beziehung

Δν\ =

! π L₁ ■ cos H

pineestellt und sodann die Transmissionsbandbreite B so sliirk verringert, daß bereits die im Abstand c/lL dem zu transmittierenden Axialmodc benachbarten Axialmoden nicht in den vom Transmissionsband überdeckten Frequenzbereich fallen.

Das Interferenzfilter 6 sorgt nun dafür, daß aus den axialen Moden einige herausgefiltert werden, z. B. der zweite und dritte, der fünfte und sechste usw., wenn das Filter Transmissionsbereiche ins Abstand Av\ aufweist, wie in der F i g. i dargestellt isl. Der Frequenzabstand Av\ der Transmissionsbereiche ist ein gan/.zahliges Vielfaches m der Abstandsfrequenz der Axialmoden: Av\ = m ■ r/2/.. Die Transmissionsmaxima des Interferenzfiltcrs lallen mit den Axialmoden des optischen Resonators im Abstand m ■ tv?/, zusammen. Die Güte der Axialmoden verändert sich dann so wie in der I i g. 4 dargestellt, d. h._v die Güte für den zweiten, dritten, fünften, sechsten usw. Mode wird praktisch gleich Null. Das l.aserlicht wird daher auch im Modulator 4 mit der Frequenz Av\ = m ■ cl2L moduliert. Dadurch daß sich der Frequenzabstand der Axialmoden nunmehr vergrößert hat, verringert sich der zeitliche Abstand der ausgesandten Impulse auf '/ZHm. Dies ist in der F i g. 5 dargestellt, wo die Intensität der Impulse über der Zeit t aufgetragen ist. )e größer also die Zahl der ausgeblendeten Moden, desto kürzer wird die Zeit zwischen den Impulsen. Wird also ein Modulator, der mit der Frequenz Av\ = m ■ c/21, angesteuert wir,I, in den Laserresonator gebracht, dann entsteht ein stabiler Puls mit Impulsen der Pulsfolgcfrequcnz ZIn.

Diese Stabilität bleibt auch dann erhalten, wenn sehr viele Axialmoden im Frcquenzabsiand Av\ liegen, da es möglich ist, die Bandbreite der Transmissionsbcrtüche des Filters schmaler als den Frequen;'.abstand c/2L der Axialmodcn des Lasers zu machen.

Fin Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht insbesondere darin, daß infolge der großen möglichen Längen /. des optischen Resonators längere Laserstäbe bzw. längere Giiscntladungsstrecken als stimulierbare Medien benutzt werden können und damit hohe Ausgangsleistungen bei sehr kurzen Impulsabständen erzielt werden können.

Das aus dem in der F i g. 1 dargestellten Laserresonator ausgekoppelte Licht fällt auf eine Photodiode 7. in der bekanntlich durch Differenzbildung zwischen den Axialmoden im Frequenzabstand Av\ ein Signal der Frequenz Avt gewonnen wird. Dieses Signal wird dann über einen Vorverstärker 8, einen Phasenschieber 9, einen Leistungsverstärker 10 und ein Anpassungsnetzwerk 11 dem Modulator 4 zugeführt. Der Modulator 4 ist insbesondere bei Ansteuerung mit hohen Frequenzen in einem Mikrowellenresonator 12 eingebettet Mit dem Phasenschieber 9 kann die für den Modulator A günstigste Phase eingestellt werden. Durch diese Anordnung werden DeJustierungen des Lasers automatisch in entsprechende Frequenzänderungen umgesetzt so daß die einmal entstandene Modenkopplung nich verlorengehen kann. Der Phasenmodulator 4, z. B. eii LiNbCh-Kristall, hat unter dem Brewsterwinkel geneig te Lichtein- und -austrittsfenster, um unerwünscht! Verluste zu vermeiden.

!n dem Fall, in dem das Interferenzfilter '6 nur weni] geneigt ist, besteht die Gefahr, daß das vor

O 1
C* 1

ei leren/lilter iellekticrte I .ich ι \\. icik-r ιιι '!,is nulieihatc Medium 3 zurückgelangt und AnIaIt /si •rwiinschtcr Selbsterregung gibt. Diese (ielahr wird geschaltet bei einem Auslührungsbeispiel, d;is in ilei y h iliirjieMellt ist Der I .asei resniiiiKii, ilei wiedei ι Ii die KestiiKilnispiegel I und 2 be^rcn/i ist. enthüll ■der diis Mimiilierbare Medium 5, den Modulator Ί I das liilerieren/lille' b. Die ausblendende Oplik ,1 chi aus einer Wende IV die sieh im Brennpunkt 615

/weiei i.iiiseii !4 ün<l IS befindet. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Blendenöffnung klein gehalten werden kann, da auch am Rande des stimulierbarcn Mediums .3 austretende Lichtstrahlen aiii die Blendenöffnung hin fokussierl werden. Da die Brennweite der Linse 15 kleiner ist als die Brennweile i\c\- Linse 14. w ird der Strahlquerschnitt in Richtung /um optischen I ilter β verbreitert, was eine stärkere g hervorruft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

«09 630/1

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit hoher Pulsfolgefrequenz

bei der außer dem stimulierbaren Medium ein Modulator und ein Interferenzfilter mit planparallelen Stirnflächen als Modenselektor innerhalb eines optischen Resonators angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der völligen Unterdrückung unerwünschter benachbarter Eigen- is Schwingungen mit d°m Frequenzabstand Δνο der Brechungswinkel Θ, d. h. derjenige Winkel, den der aus der optischen Achse des optischen Resonators (1, 2) im Interferenzfilter (6) gebrochene Strahl mit der Normalen der planparallelen Stirnflächen dieses Interferenzfilters bildet, frei wählbar und so einstellbar ist, daß sowohl die Pulsfolgefrequenz, die gleich dem Frequenzabstand (Δν\) ist. als auch die Transmissionsbandbreite B weitgehend unabhängig voneinander entsprechend den Beziehungen für den Frequenzabstand