DE1514548C3 - Nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitender optischer Sender für kohärente Strahlung (Riesenimpulslaser) - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitenden optischen Sender für kohärente Strahlung zur Erzeugung sehr kurzer Lichtimpulse hoher Leistung (Riesenimpulslaser), mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium, dem das für den Betrieb erforderliche Anregungslicht in Richtung der Stabachse von einem nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitenden optischen Hilfssender für kohärente Strahlung, dessen stimulierbares Medium von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper gebildet ist, in Form von sehr kurzen Lichtimpulsen hoher Leistung geliefert wird, einem optischen Schalter zum wahlweisen Unterbrechen und Öffnen des Strahlengangs des Anregungslichts sowie mit einer Auskoppelvorrichtung für die erzeugten Riesenimpulse.

Mittels Laserstrahlung angeregte Laser sind beispielsweise durch die Literaturstelle »Bulletin SEV«, 55 (1964) 26,28.12.1964, S. 1293 bis 1295, bekannt. Der die Anregungslichtquelle darstellende optische Sender wird dort zur Erzielung einer amplitudenmodulierten Strahlung eines zweiten optischen Senders unter Ausnutzung des sogenannten Zeemann-Effektes in der Frequenz moduliert.

Weiterhin ist es durch die Literaturstelle »Proceedings IEEE«, 52 (1964) 12, S. 1739 und 1740, bekannt, einen Halbleiterkörper aus Galliumarsenid durch die Strahlung eines Rubinlasers anzuregen.

In der Literaturstelle »Journal of Applied Physics«, 35, Juli 1964, Nr. 7, S. 2263 und 2264, ist in Verbindung mit Experimenten mit optischen Anregungssystemen festgestellt worden, daß die in einem Rubin durch einen Rubinlaserstrahl angeregte stimulierte Strahlung zeitverzögert (in der Größe von einigen MikroSekunden) auftritt.

Zur Erzeugung sehr kurzer Signalimpulse hoher Amplitude sind in den optischen Resonator eines optischen Senders Mittel zum wahlweisen Unterbrechen und öffnen des Strahlengangs, beispielsweise in Form sättigbarer Absorber, eingeführt worden. Bei kontinuierlicher Zufuhr der Anregungsenergie wird das stimulierbare Medium während der Strahlengangunterbrechung zu hohen Inversionswerten angeregt, was bei öffnen des Strahlengangs zur Auslösung eines Riesenimpulses führt. Breitbandige Absorber, deren Wirkung auf der Sättigung der Absorption in Flüssigkeiten beruht, sind beispielsweise durch die Literaturstelle »Journal of Applied Physics«, 35 (1964), S. 2349 und 2350, bekannt. Die Anfangsabsorption des Absorbers ist dabei so gewählt, daß der Sender gerade noch anschwingen kann und den Absorber anschließend durch das erzeugte Signallicht vollständig sättigt. Nach Abgabe des Riesenimpulses bricht die Verstärkung zusammen, und der Absorber regeneriert sich durch Relaxation.

Durch die Zeitschrift »Electronics«, 36 (1963), Nr. 7, 15,2.1963, S. 74 bis 78, ist es bekannt, daß bestimmte organische Flüssigkeiten zu einer stimulierten Raman-Strahlung angeregt werden können, wenn als Anregungslichtquelle ein Riesenimpulslaser verwendet wird. Bei der bekannten Anordnung sind der Raman-Laser und der ihn anregende Rubin-Riesenimpulslaser mit einem optischen Schalter in einem gemeinsamen optischen Resonator angeordnet. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß hier bei der Dimensionierung die gegenseitige Abhängigkeit beider Laser voneinander berücksichtigt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Riesenimpulslaser der eingangs genannten Art für die Erzeugung extrem kurzer Lichtimpulse hoher Spitzenleistung mit möglichst geringem technischem und ener-

getischem Aufwand zu verwirklichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein erster optischer Resonator (Hauptresonator) das erstgenannte, von einem stabförmigen, ebenfalls dielektrischen Festkörper gebildete stimulierbare Medium und ein zweiter optischer Resonator (Hilfsresonator) das zweitgenannte, von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper gebildete stimulierbare Medium sowie den optischen Schalter zum wahlweisen Unterbrechen und öffnen des Strahlengangs des Anregungslichts (Frequenz fp) enthält und daß der Hauptresonator durch dielektrische Spiegel begrenzt ist, von denen der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz fp) erste dielektrische Spiegel nur für das Anregungslicht (Frequenz fp) durchlässig ist.

Es ist durch die Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 7, Nr. 3, August 1964, S. 230, bereits eine Anordnung bekannt, bei der zur Erzeugung von sehr kurzen Impulsen hoher Spitzenleistung dem Riesenimpulslaser eine Kette von Laserverstärkerstufen nachgeschaltet ist, bei der jede Verstärkerstufe lediglich aus dem stimulierbaren Medium mit einer eigenen Anregungslichtquelle besteht. Hier wird also die Ausgangsstrahlung des Riesenimpulslasers nicht zur Inversion von Energieniveaus eines weiteren stimulierbaren Mediums ausgenutzt, sondern lediglich verstärkt.

Für die praktische Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist es vorteilhaft, wenn der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz f_P) zweite dielektrische Spiegel des Hauptresonators nur für das erzeugte Signallicht (Frequenz fs) durchlässig ist.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz f_P) zweite Spiegel des Hilfsresonators und der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz f_P) erste Spiegel des Hauptresonators durch einen beiden Resonatoren gemeinsamen dielektrischen Spiegel gebildet ist.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die beiden auf einer gemeinsamen Achse liegenden stabförmigen, dielektrischen Festkörper unterschiedlichen Querschnitt aufweisen und zwischen ihnen ein optisches System vorgesehen ist, das den Strahlquerschnitt des Anregungslichts (Frequenz fp) an den Querschnitt des stabförmigen dielektrischen Festkörpers des Hauptresonators anpaßt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der stabförmige dielektrische Festkörper des Hauptresonators, z. B. ein Stab aus Kalzium-Wolframat oder Yttrium-Aluminium-Granat, mit Neodym dotiert und der stabförmige dielektrische Festkörper des Hilfsresonators ein Rubinstab. Beim Anregen des neodymdotierten Festkörpers mit hinreichend kurzen Impulsen des die Anregungslichtquelle darstellenden Rubin-Riesenimpulslasers entstehen im neodymdotierten Festkörper überhöhte Relaxationsimpulse, die um Größenordnungen kürzer sein können als die Anreguiigsimpulse, und zwar können Signal-Riesenimpulse einer Dauer kleiner als eine Nanosekunde erzeugt werden.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein das Prinzip der stimulierten Emission erläuterndes Diagramm,

F i g. 2 verschiedene Zeitdiagramme und

F i g. 3 in schematischer Darstellung einen optischen Sender nach der Erfindung.

Im Diagramm nach F i g. 1 sind auf der Ordinate die Energie E und auf der Abszisse die sogenannte Besetzungszahl η für ein stimulierbares Medium mit drei Energieniveaus aufgetragen. Die drei Energieniveaus sind mit Ei E2 und E3 bezeichnet. Im thermischen Gleichgewicht folgt die Besetzung der Energieniveaus einer sogenannten Boltzmann-Verteilung, die in F i g. 1 mit B bezeichnet ist. Der Schnittpunkt dieser Verteilungskurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt an, welche Besetzungszahlen n\ bis rß den einzelnen Energieniveaus E1 bis E"3 zukommen.

ίο Bei dem F i g. 1 zugrunde gelegten Drei-Energieniveau ist der Abstand zwischen den Energieniveaus £"1 und E 2 gleich dem Produkt h.fs und der Abstand zwischen den Energieniveaus Ei und £"3 gleich dem Produkt h.fp, worin Λ das Plancksche Wirkungsquantum, fs die mittlere Signalfrequenz, fp die Frequenz des Anregungslichts bedeuten.

Unter der Einwirkung des Anregungslichts erfolgt eine Inversion der Besetzungszahlen zwischen den Energieniveaus Ei und £3 derart, daß schließlich beide Energieniveaus gleiche Besetzungszahlen ni' bzw. n3' aufweisen. Gleichzeitig wird die Inversion des Energieniveaupaares EilE2 dadurch noch erheblich verbessert, daß die den thermischen Ausgleich der einzelnen Energieniveaus untereinander bestimmende ftelaxationszeit für das Energieniveaupaar E3IE2 wesentlich kleiner ist als für das Energieniveaupaar E2IEi, Die stimulierte Emission entsteht beim Rückfall der Atome des überbesetzten Energieniveaus E 2 auf das durch die Einwirkung des Anregungslichts entleerte Energieniveau Ei.

F i g. 2 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Energie W eines Rubin-Einzelimpulses a, der Besetzungszahl π der Inversion b (mit der maximalen Inversion c) und der Quantenzahl q des erzeugten Signalimpulses d in einem neodymdotierten dielektrischen Festkörper.

Die bei der Anordnung nach der Erfindung erzielte Impulsverkürzung weist erhebliche Vorteile auf. Beispielsweise können durch die Verwendung von kurzen Stäben mit großem Querschnitt kurze Impulse hoher Energie bei geringer Energieflußdichte erzeugt werden. Es findet eine Frequenzumsetzung der Strahlung des optischen Hilfssenders in die Signalstrahlung des optischen Hauptsenders statt. Bei einem mit Rubinlicht angeregten Neodymlaser wird die Wellenlänge von 0,694 auf 1,06 μπι umgesetzt. Der Quantenwirkungsgrad liegt dabei in der Nähe von Eins, so daß der Energiewirkungsgrad das Verhältnis der Frequenzen erreichen kann.

Es ist möglich, auch die Emission des optischen Hilfssenders — neben der Emission des optischen Hauptsenders — aus der Anordnung herauszuführen und zu verwenden.

Das in F i g. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Senders besteht aus einem optischen Hilfssender und einem optischen Hauptsender. Der optische Hilfssender weist einen rotationselliptischen Hohlspiegel 1, eine Blitzlampe 2, einen Rubinstab 3, einen selektiv sättigbaren Absorber 4, bestehend aus Sudan-Schwarzlösung, und zwei den Resonator begrenzende Spiegel 5 und 6 auf, von denen der Spiegel 5 völlig reflektierend und der Spiegel 6 teildurchlässig ausgebildet sind. Zwischen dem optischen Hilfssender und dem optischen Hauptsender ist im Strahlengang des vom optischen Hilfssender gelieferten Anregungslichts (Frequenz f_P) ein Linsensystem 7 vorgesehen. Der optische Hauptsender besteht im wesentlichen aus einem von zwei dielektrischen Spiegeln

9 und 10 begrenzten optischen Resonator, innerhalb dem ein neodymdotierter Yttrium-Aluminium-Granatstab 8 angeordnet ist. Der dielektrische Spiegel 9 ist für die Rubinstrahlung 0,694 μπι durchlässig und für die Neodymstrahlung 1,06 μπι sperrend. Der dielektrische Spiegel 10 ist für die Rubinstrahlung durchlässig und für die Neodymstrahlung teildurchlässig.

Die Wirkungsweise des optischen Senders ist folgende. Von der Blitzlampe 2 wird Anregungslicht der Frequenz fp in den Rubinstab 3 eingestrahlt. Dadurch erhöht sich entsprechend der Darstellung nach F i g. 1 die Besetzungszahl auf dem Energieniveau E 3, während die auf dem Energieniveau Ei abnimmt, und es wird die Invertierung erreicht. Nun würde der aus dem Rubinstab 3 und den Spiegeln 5 und 6 gebildete optische Resonator anschwingen, wenn nicht der Absorber 4 den Strahlengang im Resonator sperren würde. Nimmt jetzt der Absorber 4 eine hinreichende Anzahl von Rubinlichtquanten auf, so werden Atome der Sudan-Schwarzlösung in ein höheres Energieniveau angehoben, wodurch der Absorptionswert sinkt, die Transmission ansteigt und der optische Hilfssender anschwingt. Die .angeregten Atome im Rubinstab 3 fallen nach kurzer Zeit unter Aussendung von allen möglichen inkohärenten Wellen in ihren Ruhezustand zurück. Einige Wellen jedoch, die längs der Achse des optischen Resonators laufen, treffen auf die Spiegel 5 und 6 und laufen wieder zurück. Sie lösen auf dem Rückweg in den angeregten Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen derselben Frequenz und auch Phasen aus, so daß ein sich verstärkender Wellenzug entsteht, der von dem Spiegel 6 teilweise durchgelassen, teilweise zurückgeworfen wird und den Absorber 4 vollständig sättigt. Durch den teildurchlässigen Spiegel 6 wird Strahlung der Frequenz fp als Riesenimpuls in Form einer stark gebündelten Welle abgegeben, idie zum Anregen des stimulierbaren Mediums des optischen Hauptsenders dient. Das Linsensystem 7 paßt den Strahlquerschnitt des dem Hilfssender gelieferten Anregungslichts mit ίο der Frequenz fp an den Querschnitt des stimulierbaren Mediums 8 des Hauptsenders an. Die Anregungsstrahlung (Rubinlicht) durchsetzt den dielektrischen Spiegel

9 und regt die Atome des neodymdotierten Yttrium-Aluminium-Granatstabes 8 zur Inversion an. Dadurch entstehen im Hauptsender inkohärente Wellen, von denen die längs der Achse des Stabes 8 sich ausbreitenden Wellen zwischen den dielektrischen Spiegeln 9 und

10 unter ständiger Verstärkung hin- und herlaufen. Der dielektrische Spiegel 9 ist für das im Hauptsender erzeugte Neodymlicht (Frequenz fs) undurchlässig, während durch den dielektrischen Spiegel 10 ein Teil des Neodymlichts zusammen mit dem Rubinlicht (Frequenz f_P) austreten kann. Der austretende Signalimpuls der Frequenz fs ist gegenüber dem Anregungsimpuls der Frequenz f_P verkürzt und überhöht.

Der dielektrische Spiegel 10 kann zweckmäßig auch für das Rubinlicht undurchlässig ausgeführt sein, so daß nur das Neodym-Signallicht nach außen abgestrahlt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitender optischer Sender für kohärente Strahlung zur Erzeugung sehr kurzer Lichtimpulse hoher Lei- i stung (Riesenimpulslaser), mit einem stabförmigen; stimulierbaren Medium, dem das für den Betrieb erforderliche Anregungslicht in Richtung der Stabachse von einem nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitenden optischen Hilfssender für kohärente Strahlung, dessen stimulierbares Medium von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper gebildet ist, in Form von sehr kurzen Lichtimpulsen hoher Leistung geliefert wird, einem optischen Schalte/ zum wahlweisen Unterbrechen und öffnen des Strahlengangs des Anregungslichts sowie mit einer Auskoppelvorrichtung für die erzeugte Riesenimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster optischer Resonator (Hauptresonator) das erstgenannte, von einem stabförmigen, ebenfalls dielektrischen Festkörper (8) gebildete stimulierbare Medium und ein zweiter optischer Resonator (Hilfsresonator) das zweitgenannte, von einem stabförmigen dielektrischen Festkörper (3) gebildete stimulierbare Medium sowie den optischen Schalter (4) zum wahlweisen Unterbrechen und Öffnen des Strahlengangs des Anregungslichts (Frequenz f_P) enthält und daß der Hauptresonator durch dielektrische Spiegel (9, 10) begrenzt ist, von denen der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz f_P) erste dielektrische Spiegel (9) nur für das Anregungslicht (Frequenz f_P) durchlässig ist.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz f_P) zweite dielektrische Spiegel (10) des Hauptresonators nur für das erzeugte Signallicht (Frequenz fs) durchlässig ist.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz fp) zweite Spiegel (6) des Hilfsresonators und der in Strahlrichtung des Anregungslichts (Frequenz f_P) erste Spiegel (9) des Hauptresonators durch einen beiden Resonatoren gemeinsamen dielektrischen Spiegel gebildet ist.

4. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, auf einer gemeinsamen Achse liegenden stabförmigen dielektrischen Festkörper (3,8) unterschiedlichen Querschnitt aufweisen und daß zwisehen ihnen ein optisches System (7) vorgesehen ist, das den Strahlquerschnitt des Anregungslichts (Frequenz f_P) an den Querschnitt des stabförmigen dielektrischen Festkörpers (8) des Hauptresonators anpaßt

5. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige dielektrische Festkörper (8) des Hauptresonators, z. B. ein Stab aus Kalzium-Wolframat oder Yttrium-Aluminium-Granat, mit Neodym dotiert ist und der stabförmige dielektrische Festkörper (3) des Hilfsresonators ein Rubinstab ist.