DE2900899C2

DE2900899C2 - Lasereinrichtung zum Erzeugen von ultrakurzen Laserstrahlungsimpulsen

Info

Publication number: DE2900899C2
Application number: DE19792900899
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Phys. Dr. Warschau Jasny; Fritz Peter Prof. Dipl.-Phys. Dr. 3400 Göttingen Schäfer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1979-01-11
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE2900899A1; GB2040550B; FR2446548A1; GB2040550A; FR2446548B3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Lasereinrichtung ist aus der DE-OS 59 069 bekannt.

Für viele Zwecke werden sehr kurze Lichtimpulse, insbesondere sogenannte ultrakurze Lichtimpulse benötigt. Als ultrakurze Lichtimpulse werden in der Literatur im allgemeinen Impulse mit einer Halbwertsbreite von weniger als 100 Picosekunden bezeichnet Zu ihrer Erzeugung gibt es eine Reihe von Lasereinrichtungen, die sich in die beiden großen Untergruppen von Einrichtungen, die mit aktiver und solchen, die mit passiver Phasenkopplung arbeiten, einordnen lassen. Bei den mit passiver Phasenkopplung arbeitenden Lasereinrichtungen ist innerhalb eines Laserresonators an geeigneter Stelle ein sättigbarer Absorber, wie z. B. eine Farbstofflösung angeordnet, während bei Lasereinrichtungen, die mit aktiver Phasenkopplung arbeiten, im Laserresonator ein von außen her ansteuerbarer elektro-optischer oder elektroakustischer Modulator verwendet wird. Handelt es sich bei dem Laser, der zur Erzeugung der ultrakurzen Impulse benutzt wird, um einen breitbandig abstimmbaren Laser, wie z. B. einem Farbstofflaser, so wird beim Arbeiten mit aktiver ebenso wie beim Arbeiten mit passiver Phasenkopplung stets ein zusätzliches Element zur Abstimmung der Wellenlänge benötigt Bei der passiven Phasenkopplung bedingen die spektralen Eigenschaften der wenigen bisher bekannten sättigbaren Absorber, die als passive Modulatoren in Frage kommen, daß die Einrichtung nur in gewissen engen Spektralbereichen benutzt werden kann. Bei den mit aktiver Phasenkopplung arbeitenden Einrichtungen besteht andererseits eine besondere Schwierigkeit darin, die Modulatorfrequenz genau auf den Wert einzustellen, der notwendig ist, um den Modulator durchzuschalten, wenn der im Resonator umlaufende ultrakurze Lichtimpuls am Modulator angelangt ist.

Die aus der DE-OS 20 59 069 bekannte Lasereinrichtung enthält einen hochbelastbaren Resonanzreflektor, welcher aus mehreren, über Distanzringe aneinandergesprengten Glasplatten besteht, von denen wenigstens die hintere endseitige Glasplatte in Richtung der einfallenden Strahlung einen dielektrischen Spiegelbelag aufweist. Dieser Resonanzreflektor wird zur Erzeugung von Riesenimpulsen als Drehspiegel-Resonator-Güteschalter verwendet. „

Es ist ferner bekannt, modifizierte Jamin-Interferometer, welche im einen Teilstrahlengang eine rotierende planparallele Platte oder in beiden Teilstrahlengängen zwei gegenläufig rotierende planparallele Platten zur seitlichen Scherung des Strahlenganges enthalten, zur Prüfung von Linsen zu verwenden (Applied Optics, Band 3, No. 4, April 1964, S. 535 bis 538).

Der oben erwähnte Resonanzreflektor und die oben erwähnten Jamin-Interferometer sind für die Erzeugung von sehr kurzen Laserstrahlungsimpulsen weder bestimmt noch geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lasereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu verbessern, daß mit ihr reproduzierbar ultrakurze Lichtimpulse mit einer Dauer von weniger als 100 Picosekunden in einem sehr großen Wellenlängenbereich, beispielsweise vom ultravioletten Spektralbereich über den ganzen sichtbaren Spektralbereich bis ins nahe Infrarotgebiet erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Lasereinrichtung

gemäß der Erfindung.

Die Lasereinrichtung gemäß Anspruch 3, die ein breitbandig abstimmbares Lasermedium enthält, hat den besonderen Vorteil, daß die Wellenlänge einstellbar ist, ohne daß es hierfür eines zusätzlichen Elementes bedarf.

Im übrigen hat die Lasereinrichtung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß eine sehr reproduzierbare Folge von sehr kurzen Laserimpulsen erzeugt werden kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Jasny-Interferometers, das bei den Lasereinrichtungen gemäß der Erfindung vorteilhafterweise als Reflektoranordnung verwendet wird;

F i g. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Interferometers gemrJi F i g. 1;

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung und einer Abwandlung dieser Ausführungsform, und

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Laserwellenlänge von der Umlaufperiode eines rotierenden Bauteiles des Interferometers.

Geht man beispielsweise von einer der üblichen linearen Laseranordnungen aus, die ein aktives Medium sowie einen 100% reflektierenden Spiegel und einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel enthalten, so wird Fig. 1 anstelle eines einfachen 100%ig reflektierenden Spiegels ein Interferometer, bei dem das Verhältnis der optischen Längen der von den Teilstrahlengängen durchlaufenen Wege gegenläufig veränderbar ist, verwendet, und zwar eine von Jasny vorgeschlagene Abart des Michelson-lnterferometers. (DE-OS 29 06 015). Dieses Interferometer besteht im wesentlichen aus einem Strahlteiler, einem rotierenden Block aus optisch transparentem Material, wie Quarz, und zwei Spiegeln. Der Strahlteiler besteht aus zwei Quarzblöcken 1 und 2, die die Form von an vier Seiten polierten rechtwinkligen Parallelepipeden der Länge a und der Höhe b haben, die wie F i g. 1 zeigt, aufeinander gelegt sind. Die einander zugewandten Flächen der beiden Quarzblöcke berühren sich jedoch nicht, sondern sind durch eine Luftschicht von 108 Nanometern Dicke getrennt, die durch zwei bei den langen Rändern des einen Quarzblockes aufgedampfte, ca. 7 mm breite Abstandshalter aus MgF2 eingehalten wird (nicht dargestellt). Infolge des geringen Abstandes der die Luftschicht begrenzenden Flächen der Quarzblöcke 1 und 2 wird die Totalreflexion an diesen Flächen behindert und wirkt die »Grenzfläche« zwischen den beiden Quarzblöcken als 50%iger Strahlteiler bei einer Lichtwellenlänge von 500 Nanometern. Das Teilungsverhältnis bleibt auch im ganzen Sichtbaren, nahen Ultraviolett und nahen Infrarot in der Nähe von 50%. Das Verhältnis der Länge a zur Höhe b ist so gewählt, daß (a/b)=2no ist, wobei no der mittlere Brechungsindex des Materials der Blöcke (Quarz, d.h. in der Praxis Quarzglas) ist Ein Lichtstrahl E, der unter dein Brewsterwinkel *=55° 40' auf dem Mittelpunkt der Stirnfläche von Block 1 auftrifft wird gebrochen und dann an der Glas-Luft-Grenzfläche im Verhältnis 1 :! geteilt wobei zwei Teilstrahlen entstehen, die wie in F i g. 1 dünn eingezeichnet ist, weiterlaufen, nach Totalreflexion an den freien langen Oberflächen der Quarzblöcke aus den anderen beiden Stirnflächen der Quarzblöcke 1 und 2 wieder austreten und schließlich in die Stirnfläche eines dritten Quarzblockes 3 eintreten. Der Quarzblock 3 hat die Länge a und ist hinsichtlich Material, Form und Oberflächenbeschaffenheit ebenso ausgebildet wie die Quarzblöcke 1 und 2, Der Quarzblock 3 ist um eine Achse drehbar, die durch den mn O bezeichneten Punkt in F i g. 1 geht also senkrecht auf der Zeichenebene der F i g. 1 steht und durch die Mitte der in F i g. 1 dargestellten Seite des Quarzblockes 3 geht Die beiden Arme oder Teilstrahlengänge des Interferometers werden durch zwei stationäre Spiegel 4 und 5 vervollständigt die die aus dem Quarzblock 3 austretenden Teilstrahlcn jeweils in sich selbst reflektieren. Die aus dem Strahlteiler in den Block 3 eintretenden beiden Teilstrahlen werden, wie dargestellt, an den Oberflächen des Blockes 3 jeweils zweimal total reflektiert und laufen nach Reflexion an den Endspiegeln 4 und 5 in sich selbst wieder zurück zum Strahlteiler 1, 2, wo sie sich zu einem reflektierten Strahl R und einem durchgelassenen Strahl T vereinigen. Wird der Block 3 um die erwähnte Achse gedreht, so wird der optische Weg des einen Teilstrahles verkürzt und der des anderen um den gleichen Betrag verlängert Bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit werden dabei die Intensitäten des reflektierten und des transmittierten Strahles R bzw. Tderart sinusförmig moduliert, daß das Intensitätsmaximum des einen Strahles mit dem Intensitätsminimum des anderen Strahles zeitlich zusammenfällt. Wenn R also maximale Intensität hat, ist die Intensität von Tgleich 0, d. h. der einfallende Strahl E wird dann praktisch verlustfrei in sich selbst reflektiert. Die Modulationsfrequenz kann sehr hoch sein, da der Block 3 mit hoher Winkelgeschwindigkeit (gegebenenfalls im Vakuum) rotieren kann. Die beschriebene Strahlführung hat die Eigenschaft daß die Einflüsse aller Veränderungen der Oberfläche durch die Fliehkraft, sowie die dadurch verursachten Polarisationseffekte, sowie die Einflüsse von Abweichungen von der genauen Einjustierung des Blockes 3 bezüglich des Restes der Interferometerbestandteile, etwa durch Taumeln der Drehachse oder ähnliche Fehler, sich aufheben, weil die Strahlen genau den selben Weg durch den Block 3 hin- und zurücklaufen.

Die in F i g. 1 dargestellte Stellung des Blockes 3 entspricht dem Rotationswinkel Φ = 0. Für kleinere Werte des Winkels Φ(Φ< ±5°) ist die Modulationsperiode Ti der Strahlintensität eine nahezu lineare Funktion der mechanischen Rctationsperiods T_n,:

K (Φ, X) «= λ/[4 η (2 cos Φ (β sin Z₀ + 2 J> cos Z₀) - af (Φ))}.

_ ι / (Φ) = sin (Z₀ + Φ) cos (Z₀ + Φ) (η² - sin² (Z₀ + Φ))

+ sin (Z₀ - Φ) cos (Z₀ - Φ) (n² - sin² (Z₀ - Φ)) (D (la)

(Ib)

wobei a und b die oben erwähnte Länge bzw. Höhe der Blöcke sind, k der Einfallswinkel, unter dem der Strahl E in den Block 1 eintritt, λ die Wellenlänge des Lichtes, η der Brechungsindex des Materials der Blöcke (z. B. Quarzglas) bei der Wellenlänge λ. Der Faktor Κ(Φ, λ) ist von der Größenordnung IO-⁷.

Der Block 3 durchläuft also während jeder Umdrehung einen kleinen Winkelbereich, in dem der einfallende Strahl vom Interferometer reflektiert wird. Innerhalb dieses Winkelbereiches nimmt der Block eine Vielzahl N von Winkelstellungen ein, in denen für die durch das Interferometer reflektierte (oder durchfallende) Laserstrahlung vorgebener Wellenlänge die Bedingung für ein Interferenzmaximum erfüllt ist. Die Zeitspanne, die der Block braucht, um sich von einer solchen Winkelstellung in die nächste zu drehen, soll gleich der Umlaufzeit des Laserstrahlungsimpulses im Laserstrahlengang (oder einem ganzzahligen Bruchteil der Umlaufzeit) sein.

Der Winkelbereich -Φ_η<Φ< +$„, in welchem das Interferometer die Lichtstrahlen modulieren kann, hängt hauptsächlich von der benötigten Linearität von Ti ab, die eine Funktion von T_m ist, d. h. von der Abweichung Δ K vom mittleren Wert von K, wie er in Tabelle 1 angegebenen ist.

Tabelle 1
Δ K/K

ΙΟ"⁵
~0.5°

ΙΟ"⁴
-1.5°

ΙΟ

"³

Der ausnutzbare Winkelbereich mag zwar klein erscheinen, jedoch muß man berücksichtigen, daß die Zahl N der Modulationsperioden Ti (abhängig von A K
—— und λ) von der Größenordnung 10* bis 10⁵ ist Die

genauen Werte sind in F i g. 2 wiedergegeben. Die Verluste, die durch die Einfügung in den Laserresonator entstehen, können sehr klein gemacht werden, wenn man die Polarisationsebene geeignet wählt, d. h. so, daß durch die Wahl des Brewsterwinkels als Einfallswinkel die Reflexion nahezu Null wird, wenn überdies die Spiegel 4 und 5 als breitbandige dielektrische Spiegel mit einer Reflexion von nahezu 100% ausgeführt sind, der Strahlteiler arbeitet ja durch die Ausnutzung der verhinderten Totalreflexion nahezu verlustlos.

In F i g. 3 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein blitzlampengepumpter Farbstofflaser dargestellt Der Laser enthält einen Farbstofflaserkopf D^ selbstverständlich könnte auch ein kontinuierlicher Farbstofflaser oder irgendein anderer Laser benutzt werden, dessen Pulshalbwertsbreite nur langer sein muß als einige Umlaufszeiten des Lichtes im Resonator. Der Resonator des Lasers wird durch einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel OM und durch ein Interferometer / begrenzt, dessen Konstruktion anhand von F i g. 1 beschrieben wurde. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestanden die Blöcke 1,2 und 3 aus Quarzglas.

Die Länge a betrug 58,0 mm, die Höhe b betrug 19,8 mm und die (nicht wesentliche) Breite der Blöcke betrug ca. 20 mm.

Der Laserkopf D enthielt eine Küvette mit einer inneren Länge von 843 mm, einem inneren Durchmesser von 4 mm, und jeweils 1,5 mm dicken Endfenstern. Das aktive Medium war eine 2 · 10"⁴molare Lösung von Rhodamin 6G in Äthanol. Der Auskopplungsspiegel OM war ein dielektrischer Spiegel mit 94% Reflexionsvermögen, sein Abstand vom benachbarten Ende der Küvette betrug 160 mm. Die gesamte optische Weglänge vom Auskoppelspiegel OM zum Spiegel 4 oder 5 des Interferometers betrug 665 mm. Zur Stimulation wurden vier Blitzlampen mit ca. 50 mm Elektrodenabstand verwendet, die elektrische Eingangsleistung für die vier Lampen betrug pro Schuß etwa 60 Joule.

Zwischen dem Laserkopf Dund dem Interferometer / kann eine Absorberküvette AC in den Strahlengang eingesetzt werden, worauf unten noch eingegangen wird. Eine geeignete Küvette hat Fenster von 2 mm Dicke und einen 1,5 mm dicken Innenraum. Die Fenster sind im Brewsterwinkel im Strahlengang angeordnet Der Absorber kann beispielsweise eine ! · 10~⁵molare Lösung von S^'-Diäthyloxadicarbocyaniniodid (DODCl) in Äthanol sein.

Die Abhängigkeit der Arbeitswellenlänge λ des Farbstoff-Lasers von der Rotationsperiode T_n, des Blockes 3 ist aus F i g. 4 ersichtlich. Da die Abhängigkeit zwischen λ und T_n, wegen der Dispersion im Quarzglas und Lasermedium keine ganz lineare Funktion ist kann eine Wellenlängenmessung bei zwei verschiedenen Rotationsperioden zur Bestimmung der Konstanten A und Bin der einfachen Approximation

(2)

verwendet werden, die im Wellenlängenbereich 250nm<A<700nm genauer als 10-⁴T_n, ist. Der rotierende Quarzblock 3 kann auf der Achse eines Gleichstrommotors (nicht dargestellt) sein, dessen Drehzahl elektronisch regelbar ist Eine andere Ausführungsform, die zu noch höheren Geschwindigkeiten zu gelangen gestattet ist die, daß der rotierende Quarzblock 3 auf der Achse einer luftgetriebenen Turbine sitzt Überdies kann zusammen mit dem Block ein kleiner Hohlspiegel CM auf einem rotierenden Halterungsstück für den Quarzblock 3 angebracht werden. In einem Abstand vom Hohlspiegel CM, der gerade seinem Krümmungsradius entspricht, ist wie in F i g. 3 zu sehen, ein Spalt SL angeordnet hinter dem eine Lichtquelle L angeordnet ist und direkt darüber eine Photodiode P oder ein anderer Lichtempfänger. Bei jeder Umdrehung des Motors wird damit durch die kurzzeitige Abbildung der Lichtquelle auf den Lichtempfänger hinter dem Spalt ein kurzer Auslöseimpuls erzeugt der beispielsweise benutzt werden kanu, um im rechten Zeitpunkt die Blitzlampen F für den blitzlampengepumpten Farbstofflaser zu zünden oder in einer anderen Ausführung einen Intensitätsmodulator für einen Argon-Ionen-Laser zu betreiben, der einen kontinuierlichen Farbstofflaser pumpt oder in einem anderen Beispiel eine Einzelimpuls-Selektionseinrichtung zu betreiben. Durch Verschiebung der aus Spalt, Lichtquelle und Lichtempfänger bestehenden Einheit in den als Doppelpfeil eingezeichneten Richtungen läßt sich der Auslösezeitpunkt gegenüber der Winkelnullstellung des Quarzblockes weitgehend vor- und zurückverlegen.

Zur weiteren Verkürzung der Halbwertsbreite des umlaufenden ultrakurzen Lichtimpulses kann, wie erwähnt an geeigneter Stelle im Resonator auch noch ein nichtlinearer Absorber eingefügt werden, z. B. die Küvette AC (F i g. 3) mit einer geeigneten Farbstofflösung, wie sie in der Literatur vielfach für die passive

Phasenkopplung beschrieben sind. Dieser zusätzliche Absorber ist jedoch nicht wesentlich für die Erzeugung der Impulse und dient nur zu einer weiteren Verschmälerung der Halbwertsbreite der Impulse und kann, falls diese nicht benötigt wird, auch weggelassen werden.

Durch die Einfügung des Interferometers an Stelle des sonst üblichen 100%ig reflektierenden Spiegels wird in der im folgenden beschriebenen Art und Weise ein Zug von Laserimpulsen erzeugt und in seiner Wellenlänge festgelegt. Es sei zunächst angenommen, daß bereits ein stationärer ultrakurzer Lichtimpuls von geeigneter Wellenlänge im Laserresonator umlaufe und nun auf die Mitte der Stirnseite des Blockes 1 des Interferometers am einen Ende des Laserresonators auftrifft, wobei sich der Block 3 des Interferometers gerade in einer solchen Winkelstellung befinden soli, daß sich für die Wellenlänge des umlaufenden Laserimpulses maximale Reflexion ergibt. Dann wird dieser Impuls durch das Interferometer nahezu verlustlos reflektiert, läuft wieder durch das aktive Medium im Laserkopf D, wird dabei verstärkt und trifft anschließend auf den Auskoppelspiegel OM, wobei der Impuls durch die Auskopplung eines Teils L der Strahlung geschwächt wird. Der im Resonator verbleibende Teil läuft wieder durch das stimulierte aktive Medium zurück, wird dabei wiederum verstärkt, wobei die zweimalige Verstärkung gerade ausreichen soll, um die Auskoppelverluste zu ersetzen, und trifft wieder auf das Interferometerende des Resonators. Es ist nun wesentlich, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Quarzblokkes 3 so gewählt wird, daß während der Umlaufzeit des Lichtimpulses im Resonator (d.h. der Laufzeit des Lichtimpuls vom Interferometer / zum Auskoppelspiegel OM und zurück) sich der Block 3 um einen solchen (kleinen) Winkel weitergedreht hat, daß das nächste Reflexionsmaximum für die vorliegende Wellenlänge erreicht wird. Damit wird der Impuls wieder nahezu verlustlos reflektiert und es wiederholt sich der oben beschriebene Umlauf. Man sieht sofort, daß es möglich ist, auf diese Art und Weise den Impuls im Resonator stationär zu halten, d. h, durch den Auskoppelspiegel OM eine Impulsfolge von konstanter Amplitude mit einem Impulsabstand, der der Umlaufzeit des Lichtes im Resonator entspricht, auszukoppeln. Selbstverständlich kann auch die Umdrehungsgeschwindigkeit ein ganzes Vielfaches der eben angegebenen minimalen Umdrehungsgeschwindigkeit zur Erzielung eines stationär umlaufenden Impulses sein.

Die Frage, wie groß die Halbwertsbreite der einzelnen Impulse sein kann, wird im wesentlichen durch die Rundumverstärkung des Laserresonators bestimmt, d. h. durch das Produkt aus Abschwächung durch die Auskopplung und Verstärkung im aktiven Medium. Wenn man nämlich annimmt, daß das Maximum des umlaufenden Impulses jeweils genau dann auf das Interferometer auftrifft, wenn das Maximum der Reflexion des Interferometers erreicht wird, so sieht man sofort, daß die Anstiegsflanke und Abfallsflanke jeweils zu einem Zeitpunkt wo nicht die maximale Reflexion des Interferometers auf Grund seiner sinusförmigen Modulation vorhanden ist, auftrifft und entsprechend einen Verlust erleidet, indem ein Teil der Impulsenergie aus den beiden Flanken durch Transmissionsverluste verlorengeht Es ist leicht ersichtlich, daß durch Einstellung einer marginalen Verstärkung des aktiven Mediums bzw. durch Einstellung einer entsprechenden Auskopplung der Impuls immer schmaler gemacht werden kann, vorausgesetzt, daß eine genügende Zahl von Umläufen erreicht wird. Da wir eingangs vorausgesetzt hatten, daß bereits ein stationärer Impuls vorhanden ist, ist jetzt nur noch zu klären, inwieweit das angegebene Verfahren das Entstehen eines solchen Impulses ermöglicht. Dazu ist davon auszugehen, daß, bevor die Laserschwelle erreicht wird, das aktive Medium im wesentlichen nur spontane Fluoreszenz aussendet, die in bekannter Weise spektral

ίο breitbandig und zeitlich fluktuierend ist. Es ist nun aus dem eben Gesagten unmittelbar verständlich, daß eine zeitliche Spitze von der richtigen Wellenlänge, die zum Zeitpunkt des Reflexionsmaximums für diese Wellenlänge auf das Interferometerende trifft, dort nahezu verlustlos reflektiert wird und sich dann durch vielfachen Durchlauf durch das aktive Medium zur stationären Intensität aufschaukeln kann. Rauschspitzen, die zur anderen Zeit als dem Reflexionsmaximum auftreffen oder auch nicht genau die richtige Wellenlänge haben, werden bei jedem Umlauf am Interferometerende stark abgeschwächt und sterben daher nach wenigen Umläufen vollkommen aus.

Es ist auch unmittelbar ersichtlich, daß auf die beschriebene Art und Weise jeweils eine ganz bestimmte Wellenlänge ausgewählt wird und diese Wellenlänge durch die Rotationsgeschwindigkeit des Quarzblockes 3 eingestellt werden kann. Die genaue Relation zwischen der gewünschten Wellenlänge und der einzustellenden Rotationsgeschwindigkeit ist in der obigen Formel (1) bis (Ib) bereits niedergelegt. Wird beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit um 1% erhöht, so vergrößert sich die Wellenlänge um etwa 1/2%. Selbstverständlich kann bei der eingestellten Rotationsgeschwindigkeit nicht nur diese Wellenlänge sondern auch die halbe, drittel, viertel usw. Wellenlänge anschwingen; also beispielsweise bei einer eingestellten Wellenlänge von 600 nm auch eine von 300 nm oder 200 nm. Da jedoch das aktive Medium des Lasers jeweils nur einen relativ schmalen Verstärkungsbereich hat kann nur einer dieser möglichen Wellenlängenbereiche ausgenutzt werden, so daß der Zusammenhang zwischen Rotationsgeschwindigkeit und gewünschter Wellenlänge jeweils eindeutig ist wenn man die Eigenschaften des aktiven Mediums des Lasers mit berücksichtigt

Da das Interferometer ebenso wie in Reflexion auch in Transmission benutzt werden kann und dann der transmittierte Strahl T gerade um den doppelten Brewsterwinkel abgeknickt wird, läßt sich das Interferometer statt in linearen Laserresonatoren auch in Ringlaserresonatoren einsetzen, wo es an Stelle eines Spiegels eingesetzt wird, der den Strahlengang um den genannter. Betrag abknickt Der Ringlaserresonator kann also z. B., wie in F i g. 3 gestrichelt dargestellt ist das Interferometer /, den entsprechend schräg gestellten Auskoppelspiegel OM' und einen weiteren 100°/oig reflektierenden Spiegel 7, z. B. einen dielektrischen Dünnschichtspiegel, enthalten. Im Ringresonator entsteht dann ein umlaufender Impuls, der stets im Transmissionsmaximum auf das Interferometerende treffen muß. Die Wellenlänge wird durch die Rotationsgeschwindigkeit wieder so festgelegt daß jeweils nach einem Umlauf des Pulses im Resonator das nächste oder übernächste oder ein noch späteres Transmissionsmaximum des Interferometers erreicht wird. Da es im Ringresonator zwei Umlaufrichtungen gibt stellt sich die Frage, ob zwei umlaufende Pulse in entgegengesetzten Richtungen entstehen können. Dies wird dann der

Fall sein, wenn die Mitte des aktiven Mediums gerade eine halbe Umlaufzeit vom Interferometerende entfernt angebracht wird. Wird das aktive Medium jedoch um einen gewissen Betrag gegen diese Position verschoben, so wird der Impuls eine größere Verstärkung erfahren, der zuerst in das aktive Medium eintritt und dort die zwischen den Impulsen aufgespeicherte Inversion weitgehend abbauen kann, während der später eintreffende Impuls eine entsprechend verringerte Inversion sieht und entsprechend weniger verstärkt wird. Dieser Effekt wird maximal sein, wenn die Verschiebung des aktiven Mediums gegenüber der Mittelposition nicht mehr beträgt, als nötig ist, um den ersten Impuls gerade aus dem Medium austreten zu lassen, wenn der zweite Impuls eben in das Medium eintritt. Wird dann die Stimulierungsintensiläl nicht zu hoch gewählt, so läßt sich leicht eine unidirektionale Laseremission des Ringresonators erreichen. Damit wird dann in bekannter Weise der sogenannte »spatial hole burning effect« durch diesen reinen Wanderwellenbetrieb vermieden und eine wesentlich höhere relative Ausgangsleistung und eine bessere Stabilität des austretenden Impulszuges erreicht

Bei dem beschriebenen linearen Farbstofflaser, der mit einer Rhodamin-6G-Lösung der Konzentration 2 · 10-⁴molar in Äthanol betrieben wurde, konnte die Wellenlänge von 585 Nanometer bis 615 Nanometer kontinuierlich verändert werden, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des rotierenden Quarzblockes von 6500 Umdrehungen pro Minute auf 6850 U/min erhöht wurde. Geht man mit der Anregungsintensität nur wenig über den Schwellwert der Laseroszillation, so erhält man Impulse, die typisch eine Halbwertsbreite von etwa 50 ps haben. Bei höheren Anregungsintensitäten entstehen dicht hintereinander mehrere Impulse, was nach der obigen Schilderung des Verfahrens unmittelbar verständlich ist, da dann auch Impulse, die kurz vor oder nach dem Maximum der Reflexion des Interferometers eintreffen, noch ausreichend verstärkt werden, um sich zu einer meßbaren Intensität aufbauen zu können. Diese Mehrfachpulse können allerdings durch Einfügung eines Absorbers, wie oben erwähnt, wieder zu einem Einzelimpuls mit einer geringen Halbwertsbreite reduziert werden.

Eine weitere Verkürzung der Impulse konnte dadurch erreicht werden, daß die Rotationsperiode T_n, auf 5860 Mikrosekunden verringert, die optische Länge des Resonators auf 857 mm verlängert und die Absorberküvette AC in der optischen Mitte des Resonators angeordnet wurde. Bei einer solchen Ausgestaltung der Lasereinrichtung breiten sich im Resonator zwei Impulse in entgegengesetzten Richtungen aus, die sich an der Absorberküvette trennen und man erhält einen Impulszug mit einem Impulsabstand von 2.8 ns und einer erheblich kürzeren Impulsbreite bis herunter zu einigen Picosekunden. ^

Das Jasny-Interferometer gemäß Fig. 1 kann selbstverständlich auch in Kombination mit einem wellenlängenmäßig relativ schmalbandigen, praktisch nicht oder jedenfalls nicht kontinuierlich durchstimmbaren aktiven

Lasermedium verwendet werden. In diesem Falle dient das Jasny-Interferometer dann nur zur Verkürzung der Impulse und der Winkel Φ des Blockes 3 wird durch die

Emissionswellenlänge bestimmt.

Anstelle des drehbaren quaderförmigen Bauteils 3 kann gegebenenfalls auch eine einfache planparallele Platte verwendet werden. Die Länge des Bauteiles 3 kann ein beliebiges (vorzugsweise gerades) ganzes Vielfaches von 0,5a sein. Auch andere Längen des Bauteiles 3 sind möglich, wenn b so geändert ist, daß sich analoge Reflexionsverhältnisse ergeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lasereinrichtung zum Erzeugen von Laserstrahlungsimpulsen vorgegebener Wellenlänge, mit mindestens zwei einen Laserstrahlengang begrenzenden Reflektoranordnungen, von denen eine erste ein die Laserstrahlung möglichst vollständig reflektierendes Interferometer enthält, während eine zweite zur teilweisen Auskopplung der Laserstrahlung aus dem Laserstrahlengang teildurchlässig ausgebildet ist, ferner mit einem im Laserstrahlengang angeordneten stimulierbaren Lasermedium, und mit einer Vorrichtung zum Stimulieren des Lasermediums, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (I) der ersten Reflektoranordnung im Wege der aus dem Laserstrahlengang eintretenden Strahlung einen Strahlteiler (1, 2) zum Erzeugen zweier Teilbündel, eine Reflektoranordnung (4, 5) zum Reflektieren der Teilbündel zum Strahlteiler, und einen drehbaren, rechtwinklig-parallclepipedförmigen transparenten Körper (3) zur Änderung des Verhältnisses der Längen der optischen Wege, die die Teilbündel zwischen dem Strahlteiler (2) und der letzterwähnten Reflektoranordnung (4,5) zurücklegen, und eine Vorrichtung zum Drehen dieses Körpers (3) enthält, welche so schnell arbeitet, daß die Bedingung für ein Interferenzmaximum bei der Wellenlänge der Laserstrahlung während eines Umlaufes des Laserstrahlungsimpulses im Laserstrahlengang eine ganzzahlige Anzahl von Malen (einschließlich einmal) angenommen wird.

2. Lasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (1, 2) mit behinderter Totalreflexion arbeitet.

3. Lasereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Lasermedium durchstimmbar ist und daß die Drehzahl des drehbaren Körpers (3) steuerbar ist.

4. Lasereinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (CM, SL, L, P) zum Synchronisieren der Winkellage des drehbaren Körpers (3) mit der Stimulierungsanordnung (F).

5. Lasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahlengang einen Absorber ^4Qenthält.

6. Lasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermedium eine stimulierbare Farbstofflösung ist.

7. Lasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoranordnungen (1, OM) einen linearen optischen Laserresonator bilden.

8. Lasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoranordnungen (I, OM') mit mindestens einer weiteren, möglichst vollständig reflektierenden Reflektoranordnung (7) einen Ringlaserresonator bilden (F ig. 3).