DE1489670C - Optischer Sender oder Verstärker bestehend aus stimulierbaren Festkörperme dien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Sender oder Verstärker, die aus stimulierbaren Festkörpermedien bestehen, d. h. aus Medien, die mit Aktivatoren dotiert sind, welche durch eine optische Strahlung in einen überbesetzten metastabilen Zustand versetzt werden, von dem aus eine Stimulationsauslösung erfolgt. Derartige optische Sender- und Verstärkeranornungen werden vielfach auch »Laser-Anordnungen« genannt.

Die dotierten Festkörpermedien können sowohl entsprechend dotierte Kristalle, ζ. Β. Rubin, oder auch dotiertes Glas sein, vgl. französische Patentschrift 1 344 970.

Eine übliche Form eines optischen Senders, wie sie auch in der genannten französischen Patentschrift gezeigt ist, besteht aus einem stabförmigen stimulierbaren Medium, das koaxial von einer wendeiförmigen Gasentladungslampe umschlossen ist, die Lichtimpulse aussendet und deren Licht die Wellenlänge des Absorptionsbandes des stimulierbaren Mediums umfaßt. Wenn die Gasentladungslampe zur Abgabe eines Lichtblitzes erregt wird, so treten Lichtimpulse in das stimulierbare Medium ein, und das eintretende Licht bewirkt eine Anregung der Aktivatoren des Mediums in einen Zustand der Überbesetzung bestimmter Energieniveaus. Unter gewissen Voraussetzungen gehen die Aktivatoratome des stimulierbaren Mediums bei der Anregung durch das absorbierte Licht zunächst in einen kurzlebigen hohen Energiezustand über, von dem aus sie ohne Strahlung und unter Abgabe von Wärme auf einen verhältnismäßig stabilen energetischen Zwischenzustand übergehen; von diesem Zwischenzustand erfolgt dann der mit Lichtemission verbundene Übergang in ein Grundniveau, der zur Verstärkung kohärenten Lichts ausgenutzt wird.

Um die in den Überbesetzungszustand angeregten Atome möglichst vollständig gleichzeitig zu der Rückkehr in den Grundzustand zu stimulieren, wird das die Aktivatoratome enthaltende Festkörpermedium als optischer Resonator ausgebildet, d. h., das Licht, welches von einem selbständig in den Grundzustand zurückkehrenden Atom zunächst spontan emittiert wird, durchläuft den Resonator bis zu dessen Ende und wird am Ende des Resonators reflektiert und durchsetzt wiederum das stabförmig ausgebildete Festkörpermedium, wobei es die auf seinem Weg gespeicherte Photonenenergie auslöst und dabei phasengleich verstärkt wird, indem es nun andere angeregte Atome zu einem mit Lichtemission verbündenen Übergang in das Grundniveau veranlaßt, wobei eine weitere phäsenkohärente Lichtverstärkung ausgelöst wird. Diese Wirkung dauert an, bis sämtliche, durch den zuvorigen Anregungsvorgang in den Zustand der Überbesetzung gebrachten Atome in das energetische Grundniveau zurückgekehrt sind; ein Vorgang, der sich innerhalb außerordentlich kurzer Zeit abspielt. Dementsprechend wird die zuvor gespeicherte Lichtenergie in Form eines sehr kurz in sich kohärenten Lichtimpulses wieder abgegeben.

Das stabförmige Medium wird dabei so ausgebildet, daß an dem Stabende, an welchem eine Lichtabstrahlung nicht erfolgen soll, eine möglichst vollständig reflektierende Reflexionsschicht vorgesehen wird, während an dem Stabende, an welchem das Licht austreten soll, ein nur teilweise reflektierender Reflektor vorgesehen ist.

Es hat sich gezeigt, daß die Intensität des ausnutzbaren Anteiles des stimulierten Ausgangsimpulses vergrößert werden kann, wenn man die nach zwei Richtungen erfolgende Reflexion des Lichtes in dem stimulierbaren Medium auf Licht beschränkt, das in einer einzigen bestimmten Schwingungsform der Wellenfortpflanzung abgestrahlt wird. Die Atome eines stimulierbaren Mediums senden zunächst Licht in einer Mehrzahl von Schwingungsformen aus, wobei diese Schwingungsformen auch die für praktische Zwecke allein wichtige Schwingungsform der ebenen Wellen umfaßt, die parallel zur Längsachse des Mediums abgestrahlt werden und die im nachstehenden als axiale, ebene Wellenschwingungsform bezeichnet wird; es sind auch Wellenschwingungsformen zu beachten, die unter einem Winkel zur Achse verlaufen und im nachfolgenden als nicht axiale Schwingungsformen bezeichnet werden. Wenn das Licht, welches j in zwei entgegengesetzten Richtungen in dem stabförmigen Medium reflektiert wird und in diesen zwei Richtungen in demselben sich fortpflanzt, der ebenen axialen Schwingungsform angehören würde, so daß die Lichtauslösung vorwiegend durch eine ebene Schwingungsform angefacht würde, so ließe sich ein extrem hoher Wirkungsgrad für die Lichtemission erzielen. Das stimulierte Ausgangslichtsignal von ebener Wellenfront, d. h. von der Wellenform, die den ausnutzbaren Anteil des Ausgangsimpulses darstellt, würde ausgesprochen größer sein, als wenn die nach zwei Seiten gerichtete Reflexion des Lichtes in nicht axialen Schwingungsformen sich in dem Resonator ergeben würde. Es würde dann der Divergenzwinkel des Ausgangssignals verringert werden und dementsprechend die Ausgangsintensität, d. h. die pro Einheit des räumlichen Winkels abgegebene Leistung, in jeder beliebigen Entfernung wesentlich vergrößert werden.

Es ist indessen festzustellen, daß die Anregungsenergie zuführende wendeiförmige Entladungs-Blitzlampe höhere Temperaturen an der Peripherie des Stabes, seinem Mantel und niedrigere Temperaturen in der Achse desselben bewirkt. Die thermische Spannungsverteilung in dem Stab ist daher ungleichmäßig, und es ergeben sich Änderungen im Brechungsindex und dementsprechend eine Verringerung in der Richtungsstabilität des Strahles, die sich letzten Endes in einer Verringerung der Ausgangsleistung des optischen Senders äußert. Dieselben Temperaturschwankungen ergeben sich auch mit anderen Entladungs-Blitzlampen, die beispielsweise zylindrische Form haben, wobei der Zylinder parallel und im Abstand von dem stimulierbaren Medium geführt ist.

Bei ungleichmäßiger Temperaturverteilung ergeben sich infolge von Spannungen Doppelbrechungen, so daß das zum Stabradius in einer senkrechten Ebene, also tangential polarisierte Licht einem anderen Brechungsindex ausgesetzt ist als das radial polarisierte Licht, und zwar an allen Stellen mit Ausnahme der Achse. Das Ergebnis solcher Unterschiede im Brechungsindex liegt in den Unterschieden der optischen Weglänge, in Abhängigkeit des Abstandes von der Achse und in Polarisationserscheinungen und dementsprechend in einer Verringerung der Richtungsstabilität des optischen Strahles.

Zur Zeit werden in der Lasertechnik Kompensationen für diese Erscheinungen nicht getroffen. Eine Linsenkompensation ist praktisch nicht durchführbar für die durch Spannungen bedingte Doppelbrechung, da eine feste Linse sinnlos wird, wenn es sich um

ständig sich ändernde Unterschiede im Brechungsindex handelt.

Die Erfindung bezweckt den Einfluß der thermisehen Gradienten und der damit verbundenen Doppelbrechungserscheinungen, bedingt durch die Erwärmung durch die Entladungsblitzlampe, bei einem stabförmigen stimulierbaren Medium zu vermeiden. .

Ein optischer Sender oder Verstärker, bestehend aus stimulierbaren Festkörpermedien, mit Mitteln zur Kompensation der durch Spannungen in den stimulierbaren Festkörpermedien bedingten Doppelbrechung zeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch aus, daß zur Einebnung der Wellenfront des kohärenten Lichtes zwischen paarweise zusammengefaßten, hintereinandergeschalteten stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedien eine eine Drehung der Polarisationsebene bewirkende optische Vorrichtung vorgesehen ist, die jeweils jede polarisierte Komponente eines Strahles des parallelen kohärenten Strahlenbündels des vorausgegangenen stimulierbaren Mediums in eine dazu senkrecht polarisierte Komponente im nachfolgenden stimulierbaren Medium überführt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß am Austrittsende zwecks Korrektur des Einflusses thermischer Spannungen eine Linse vorgesehen ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung eines stabförmigen stimulierbaren Mediums,

F i g. 1A eine Schnittdarstellung des Drucks und der Spannung in einem bestimmten Teil der Querschnittsebene des stimulierbaren Mediums gemäß Fig. 1, wobei der Schnitt senkrecht zur Achse des stimulierbaren Mediums gelegt ist,

F i g. 2 eine Darstellung der Spannungsverteilungen für zwei zueinander senkrechte, tangentiale und radiale Polarisationsrichtungen längs des Radius des stabförmigen stimulierbaren Mediums,

Fig. 2A Definition der Ausdrücke »radiale« und »tangentiale« Polarisation,

F ig. 3 eine Darstellung des stimulierbaren Mediums gemäß F i g. 1, bei der die Wellenfronten gezeigt sind und auch die Änderungen des Brechungsindexes in Folge der Temperatur und die tangentialen Spannungen und die mittleren Änderungen des Brechungsindexes für tangentiale und radiale Spannungen bei einer Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt sind,

Fig.3 A eine Darstellung der Drehung der Polarisationsvektoren durch den in Fig. 3 vorgesehenen Polarisationsrotor,

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Senders,

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkers,

F i g. 6 einen erfindungsgemäßen optischen Mehrfachverstärker.

In F i g. 1 ist in der Seitenansicht ein zylindrisches stimulierbares Medium 12 dargestellt. Fig. IA zeigt in einem Querschnitt den Druck und die Spannung in einer Ebene des Stabes, die senkrecht zu der Achse 14 des stimulierbaren Mediums verläuft. Die Fortpflanzungsrichtung des Lichtes liegt in der Achse 14 des stabförmigen Mediums, wobei die Spannungen durch Temperaturunterschiede in dem Stab verursacht sind, welche wiederum auf ungleichmäßige Verteilung der von der Blitzlampe erzeugten Wärme zurückgehen. Die radialen Spannungen 16 und 18 sind ausschließlich Zugspannungen, und sie nehmen von der Achse des Stabes bis zu seinem Mantel gegen Null ab. Die tangentialen Spannungen 20 und 22 sind dagegen in der Nähe des Umfanges des Stabes Druckspannungen und in der Nähe der Achse des Stabes Zugspannungen. Es ist bekannt, daß ein unter Zugspannung versetztes Medium einen geringeren Brechungsindex hat als ein unter Druckspannung versetztes Medium, so daß die Änderung des Brechungsindexes η ungefähr dem in Fig. 2 dargestellten Verlauf der mechanischen Spannungen entspricht. In F i g. 2 ist als Abszisse der Stabradius von der Stabachse bis zum Mantel und als Ordinate die mechanische Spannung mit Zug und Druck aufgetragen.

In F i g. 3 sind Wellenfront-Änderungen, die auf Änderungen im Brechungsindex η zurückgehen, dargestellt, für das die linke Stirnfläche des Stabes 26 verlassende Licht. Die eintretende ebene Welle 30 mit der Wellenfront 24 und ein erster Stab 26 und ein den Zwecken des Abgleiches dienender zweiter Stab 38 sind hintereinander angeordnet. Für einen im Stab verlaufenden Strahl nahe der Mantelfläche (vgl. Fig. 2A) sind wesentlich eine Polarisationskomponente 20 parallel zur Mantelfläche (tangentiale Komponente) und eine dazu senkrechte (radiale) Komponente 18 zu unterscheiden. Für die tangentiale Polarisationskomponente zeigt die Kurve 28 die durch mechanische Spannungen bedingte Änderung der Wellenfront bei einer von rechts nach links angenommenen Fortpflanzungsvorrichtung 30. Da der Brechungsindex geringer ist und dementsprechend die Phasengeschwindigkeit in der Achse des Stabes größer ist als am Umfang, so sind die Wellenfronten 28 für die tangential polarisierten Randstrahlen konvex und wölben sich in der Nähe der Achse des Stabes hervor. Andererseits ist die Änderung der Wellenfront infolge von Spannungen für die radiale Polarisationskomponente 16,18 in der Achse des Stabes weniger ausgeprägt, obwohl für eine derartige Polarisation der Brechungsindex in der Mitte des Stabes geringer ist als am Umfang des Stabes. Der Unterschied der Wölbung der Kurven 28 und 32 ist in F i g. 2 erklärt, wo der Brechungsindex für die radiale Polarisation zur Achse hin wenig abnimmt, während für die tangentiale Polarisation in Richtung auf die Achse die Abnahme ungefähr dreimal so groß ist wie für radiale Polarisaton. Wenn also der Brechungsindex für die radiale Polarisation in Richtung auf den Mantel des Stabes um den Betrage zunimmt, nimmt für die tangentiale Polarisation derBrechungsindex um den Betrag 3 z zu.

Fig. 3 erklärt außerdem die Änderung 34 der Wellenfront in Abhängikeit der Temperatur. Da die Temperatur des Stabes an seinem Umfang am größten ist, weil dort die Blitzlampe am nächsten ist, liegt der höhere Brechungsindex in der Nähe der Achse des Stabes, da eine Erwärmung im allgemeinen einen verringernden Einfluß auf den Brechungsindex hat. Es ist jedoch zu beachten, daß unter Umständen der Brechungsindex auch mit der Temperatur zunimmt, wenn es sich um eine besondere Glaszusammensetzung handelt; es kann indessen die Glaszusammensetzung auch so gewählt werden, daß

der Brechungsindex umgekehrt proportional zur Temperatur sich ändert. Die Wölbung der Wellenfront 34 infolge der Änderung des Brechungsindex ist daher entgegengesetzt den Änderungen der Wellenfronten 28 und 32, die durch mechanische Spannungen bedingt sind, vorausgesetzt, daß die Fortpflanzungsrichtungen des Lichtes dem Pfeil 30 entsprechen.

Den Spannungsverteilungen und Änderungen des Brechungsindex gemäß F i g. 2 und F i g. 3 zum Trotz erzwingt die Erfindung eine ebene polarisierte Ausgangswelle des stabförmigen stimulierbaren Mediums mit gleichmäßiger Intensität (ebener Wellenfront) an der Austrittsöffnung. Wenn das Licht das Medium durchsetzt, in welchem Variationen des Brechungsindexes im Sinne einer Erzeugung von Wellenfronten gemäß den Kurven 28, 32 und 34 vorliegen, so wird das Licht durch einen Rotator 36 zur Drehung der Polarisationsvektoren um 90° geleitet und durchsetzt dann ein zweites stabförmiges Medium 38, wo es denselben Änderungen unterliegt, die beim Durchsetzen des Stabes 26 vorlagen.

Die im Stab 26 radial polarisierten Randstrahlen gehen nach einer 90°-Drehung tangential polarisiert in den Stab 38 und unterliegen nunmehr den Änderungen 28' beim Durchlaufen des Stabes 38. Das nach der Drehung radial polarisierte Licht, das beim Durchlaufen des Stabes 26 noch tangential polarisiert war, unterliegt Änderungen 32' der Wellenfront infolge von Änderungen des Brechungsindexes beim Durchlaufen des Stabes 38, und die Änderungen 34 beim Durchlaufen des Stabes 38 infolge der Änderung des Brechungsindexes sind dieselben wie bei dem Stab 26. Die austretenden Wellenfronten, die charakteristisch für die Änderungen des Brechungsindexes sind, ergeben sich durch die Kurven 31 und 34 am Austrittsende des Stabes 38. Die Änderung 31 der Wellenfront ergibt sich aus den Änderungen 28' und 32' durch die Drehung der Polarisationsvektoren um 90°. Dieser Ausgleich ergibt sich dadurch, daß das stimulierte Licht in beiden stimulierbaren Medien einer durch gleiche mechanische Spannungen bedingten Doppelbrechung unterworfen ist. Das Licht erfährt zunächst eine erste Änderung der Wellenfront für seine radial polarisierten Vektoren und eine zweite Änderung für die tangential polarisierten Vektoren beim Durchsetzen des ersten Stabes und eine erste Änderung für die tangential polarisierten Vektoren und eine zweite Änderung für die radial polarisierten Vektoren beim Durchsetzen des zweiten Stabes. Die mittleren Wellenfront-Änderungen 31 infolge der Druckspannungen und der Zugspannungen und die Änderungen 34 infolge thermischer Spannungen sind gleich und entgegengesetzt, und dementsprechend ergibt sich die angestrebte ebene Wellenfront 33.

Möglicherweise gestattet eine Glaszusammensetzung es nicht, daß die infolge thermischer Spannungen geänderte Wellenfront 34 gleich und entgegengesetzt der Wellenfront 31 ist. Dann kann eine Linse geeigneter Wölbung verwendet werden, um im Wege der Korrektur die Fläche gleicher Phase 34 gleich und umgekehrt zu der Wellenfront 31 zu machen. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, die Wellenfront 34 etwas flacher zu gestalten, so kann eine negative Linse verwendet werden, um die austretende Strahlung zum Mantel des Stabes hin zu verzögern. Die fokussierende Wirkung der Fläche 34 wird dadurch etwas kompensiert, so daß sie gleich und entgegengesetzt der Fläche 31 ist.

In F i g. 3 A ist die Drehung des Vektors 40 durch den Rotator 36 für das Licht der Fortpflanzungsrichtung 30 dargestellt. Der austretende Vektor 42 ist um 90° gedreht.

Der Rotator 36 kann eine Quarzplatte sein, die senkrecht zur optischen Achse geschnitten ist, oder eine Flüssigkeitszelle, enthaltend eine Zuckerlösung oder Terpentin. Verwendet man Quarz, so ist die Platte ungefähr 4,2 mm dick, wenn es sich um stimuliertes Licht von 1,06 μΐη (Neodym) handelt, oder 5,92 mm dick, wenn es sich um stimuliertes Licht von 6,94 μΐη (Rubin) handelt. Der Rotator kann auch aus zwei Halbwellenplatten (eine halbe Wellenlänge der stimulierten Wellenlänge) bestehen, wobei ein Winkel von 45° zwischen ihren Achsen höherer Lichtgeschwindigkeit besteht, in welchem Fall Quarz, der parallel zur optischen Achse geschnitten ist, oder Glimmer oder Kalkspat verwendet werden kann. Es kann sich auch um einen Faraday Rotator handeln, wenn die Kosten und der Aufwand eines leicht veränderbaren Magnetsystems nicht entgegenstehen.

Ein optischer Sender gemäß F i g. 4 besteht aus zwei aufeinander angepaßten, stabförmigen stimulierbaren Medien 26 und 38, wobei der Rotator 36 zwischen beiden angeordnet ist und Reflektoren 44 und 46 an den Enden der Stäbe vorgesehen sind, um einen optischen Resonator zu bilden. Eine gemeinsame Entladungs-Blitzlampe oder angepaßte Blitzlampen 48 und 50 sind vorgesehen, um die stimulierbaren Stäbe 26 und 38 anzuregen.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten optischen Verstärker handelt es sich um ein doppeltes System gemäß Fig. 4, jedoch ohne die Resonatorspiegel 44 und 46; bei der Anordnung gemäß F i g. 6 handelt es sich um eine Erweiterung der in F i g. 5 dargestellten Anordnung unter Anwendung von mehr als einem Stabpaar stimulierbarer Medien. Es werden die stimulierbaren Stäbe 37 und 41 entweder durch eine gemeinsame Entladungs-Blitzlampe angeregt oder gemäß der Zeichnung durch angepaßte Blitzlampen 54, 56, wobei zwischen den stimulierbaren Stäben eines Paares der Rotator 36 vorgesehen ist. Die eine Mehrzahl von Stufen umfassende optische Verstärkeranordnung besteht aus den aufeinander abgestimmten stimulierbaren Stäben 49 und 43, die entweder durch eine gemeinsame Entladungs-Blitzlampe oder gemäß F i g. 5 durch zwei aufeinander abgestimmte Blitzlampen 58 und 52 angeregt werden.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung wurde angenommen, daß das kohärente Licht im wesentlichen in einer axialen Richtung sich fortpflanzt, damit der Wirkungsgrad des austretenden Lichtes erhöht wird. Derartige axiale Fortpflanzungsformen des Lichtes können in einer Weise erreicht werden, wie sie in dem deutschen Patent 1187 733 vorgeschlagen wurde.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker aus stimulierbaren Festkörpermedien mit Mitteln zur Kompensation der durch Spannungen in den stimulierbaren Festkörpermedien bedingten Doppelbrechung, dadurch gekennzeichnet,