DE1564779A1

DE1564779A1 - Optischer Molekularverstaerker

Info

Publication number: DE1564779A1
Application number: DE19661564779
Authority: DE
Inventors: Roess Dipl-Phys Dr Rer Dieter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-12-14
Filing date: 1966-12-14
Publication date: 1970-03-05
Also published as: DE1564779C3; DE1564779B2

Description

Optischer Molekularverstärker

Die @riinciun bc:z ieht sich auf einen optischen Moleku-

iarveretärker zur ,Lrzeugung von Impulsen hoher Leistung

(I?e:;enir_@pul:::laser) , bestehend aus einem stabförmigen

Material, vorzugsgreise Rubin, einer Eumplieht-

c_uelle und einem die Pumplieh-tcluelle auf das: aktive

Material abbildenden Spiegelsystem, bei dem das aktive

Material in einen mit einer Auskoppelvorrich tung vor-

sehenen optischen Resonator, insbesondere einem k'abry-

Pc:rot-?tc:conator, angeordnet ist, der zusätzlich wenig-

stens einen in :@E@inE:r LichtdurchMssigkeit steuerbaren

Schalter c@nthz@.l t .

In werden sogen=innte

La::er:@ trahl:;n vc@r:;tdiri-,t und auch erzeugt. Da:; al;ti@re

Material wird 1@:r zur Inversiccl seiner Y#@@r>achied@nen

l'nergier:i-re:u: durch E: inf° Lichtquells gc'pu _@p @; . Uin L'in,:

st:ir.@uli@@rj;@ i':iiif@"ioi: :ai erreichen, ist hierbei Oal;

aktive I1:@t@2ria1, ein ltiibin:? t:1, i:innr-

halb eine:; optischen Resonators angeordnet. Dif: gewünschte

stimulierte Eriiss.iorr kommt CL@Ä1 r:clgende Weise zti.-.tande.

Die in der Regel über ein Spic:galsystem auf (las aktive

i,Taterial konzentrierte Lichtenergie der Furiplichtquelle

regt im =;ktiven Material Atolle bis zur Inversion ihrer

di2kreten Energieniveaus an. Die Atome fallen nach

kurzer Z::it unter Aussendung inltc;härenter Stellen in

ihren Ruhezu2Land zurück. Einige Wellen jedoch, die

längs der Ri:;@onatorachse angeregt werden, treffen auf

die stirnseitiger- Spiegel auf und laufen wieder zurück.

Sie lösen auf dem Rückweg in den angeregten Atomen, die

sie durchqueren, weitere Wellen derselben Frequenz und

auch I?ha.^33e aus, so daß ein sich verstärkender WBllenzug

ent.^. seht. Dieser reflektierte Wellenanteil ;rlrd bei

laufender Zuführung von Pumpenergie weiter verstärkt.

ontsteht eine :;tc:riendc: Belle. Die Au@?toppl.ull@ dieser

°#e1Ie 7E#::chie?11#,; c#ildurch, daß einer der beiden Stirn sci-

!-ixen 5@::@_c@f;@l teildurchlässig ausgebildet ist.

uaii@ ?:r:@cugunf@ ::ofenannter esenilnazl_:=c. .sind in die

-@pti r:chun ßesenrltoren Mittel zur @<ra111;@c:i ,en Ulitc.i'brocliling

;und Üffnung de:: Sirahlengangs, in ihrer

.icl;tdurchl;@:@sigkeit steuerbare Scha 1 ter, eing_-,eführt

Bei l;@-::'@inaierlieher @u>T@p@wnerf;iclzuflihr vlird dm;

;?ätci-i,11. vri-Oirend dertrahlen@;nllgun ter brecl:unt@;c:1:

gepumpt, 1,c-i. der 0ffliungr

n

:; :3 durch den- Schalter dis

Zur :'olle 17ß,, der

kann. Um zu

tiZE?;:E?n"-.1FIpu1- i e1?1C', T1orri^lt? 1@C@S@?rfi^I11'@iIl-

.@. c@e t ru(2 der Str"ililengang ciur oll den Schalter

tJ ` (tl.i. L r 1 ,

?;C?c1E ":@`E':tj:C' eines Rieseninpu1SeS7tE:dC'Z';eE'-.Ch1G;_ SC:Yl

',:erden. Eil? geeigneter Schalter dieser Art ist ein

:-Uttigbarer Absorber, der bei Anwachsen der Inversion

bei einem bestirnten Wert öffnet und bei Abfall der In-

vcr:=icn unter Einen bestimmten Wert ;nieder schließt.

Bei @@E@s@:np;il:;en hoher Spitzenleistung bestellt die

Gefahr vcn hi,-tt.@rialzusammenbrüchen selbst bei so harten

Materialien ;ric# Rubin, di c hierbei besonders an den Ende

auftreten, an dem der Riesenimpuls ausgekoppelt wird. Lntaprechendes gilt für den Resonator.

Der Erfindung liegt die !Aufgabe zugrunde, für einen opti-schen T,lolekularverstürker der einleitend beschriebenen Art eine Lösung zu finden, die den geschilderten Schwierigkeiten in einfacher Weise begegnet. Diese wird gern,-lß der Erfindung dadurch gelöst, dai3 die Auskopplung an beiden Enden des Stabes erfolgt, und zwar bei einer ausreichend großen Bemessung der Tranrmission de:; Resonators und daß eine Optik vorgesehen ist, die die an den beiden Resonator spiegeln ausgekoppelten Irrpulse in ein Impulspaar gleicher Fortpflanzungsrichtung umwandelt. Beispielsweise kann das Verhältnis vcii Transmission .:u Reflexion de.3 Resonators etwa den Wert eins aufweisen.

Die erfinduilgst;eriiie Löpung kann in vorteilhafter Weise

dadurch reali^i<@rt vIerden, da2 durch geeignete li'errn-

;erung der enden du.- atabförmigen aktiven Materials die

ImpizI:-c an di e:@eri i;nden -chon in gleicher Fortpflanzungs-

riclituiig ausgekoppelt werden, d.h. daß das stabförnige

airtive Material gleichzeitig die Optik bilde',.

Diese Formgebung der Enden kann zweckmäßig in ebenen Endflüchen bestehen, die in einen Winkel von etwa 450 zur Längsachse gegeneinander geneigt sind. Dabei aird wenigstens ein teildurchlässiger Spiegel auf seiten der aus der stabförmigen aktiven Material austretenden impulsförmigen Lichtstrahlen, und zwar parallel zu dessen Achse, angeordnet. Bei einer anderen möglichen bevorzugten Forr:igebung ist die eine Stirnfläche des stabförmigen aktiven Materials senkrecht zu dessen Achse und eben ausgebildet, während seine andere unter einem Winkel von 45e gegen die Staba chse geneigte Stirnfläche 'zur Realisierung der Optik eine Teilflüche eines ¢50 Konus oder eines 450 Prismas ist, der bzw. das hierbei mit seiner Grundfläche senkrecht zur Stabachse angeordnet wird. Hierbei ist auf seiten der einen erstgeilannten Stirnfläche des stabför-,:.igen aktiven Materials ein hierzu parallel. angebrachter teildurchlässiger Spiegel, vorgesehen. Dadurch, daß die ausgekoppelten Impulse bei den obengen-,:nnten"Ausführungsformen gleiche Fortpflanzungsrichtung besitzen, genügt ein teildurchlässiger Spiegel, um den erforderlichen optischen Resonator zu verwirklichen. Zuderz Leivhrleistet ein einziger Spiegel in hohem Maße eine gleiche Auskopplung der Strahlleiatung an beiden Sterbenden.

S Se lbstver.9t,-*ndlicli läßt sich die Erfindung auch bei einem optischen Molekularverstärker vom rabry-Perot-S'yp zur .":nv;endung bringen, sofern beide zueinander parallelen, auf einander gegenüberliegenden Seiten des stabförmigen aktiven Materials anäcordneten Spiegel teildurchliissig ausgebildet sind. Die Opti k, die die beiden ausgekoppelten Impulse gleicher Energie auch in gleic:he i'ar tpll anzungsrichtung umlenken soll, kann in diesem Fall in einfacher i'leise aua zwei vollreflektierenden :=ping@ln, vorzugsweise 4.5ü Prismen, bestehen, die bezogen auf das aktive Material in dessen Achsrichtung hinter (len tcildurchlässigen Spiegeln angebracht und unter einem Winkel von 450 gegen die Stabachse gegeneinander geneigt sind. An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausfi;hrungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erl«utert werden. In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung; Fig. 2 ein tyeiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung; Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemä`5 der Erfindung.

Der Riesenimp ul:ilaser nach der Fig. 1 i; t voll Fabry-

Yerot-Typ, bei dem zwischen den beiden Rescaiatorspiegeln

1i1 und 1Z1' in Seiner Acliariclitting senkrecht zu den Re-

:.onatorspiegeln das stabförmi.ge aktive I.laterit.11 A1 ^o@rie

ein in der lichtdurchlässigkeit steuerbar^_i° Schalter S

angebracht sind. Außerhalb des Resona tor s irt auf geiten

des Rescnator2piegels R1 ein U#,il_enlcspiegel U1 und auf

leiten de:: Resonatorspiegels Ri' ein Umlenkspiegel U1'

eingebracht. Sie rinci, bezogen auf die Alchsrichtung des

:;tabförnigen aktiven Materials, in einen Winkel. von 45°

gegeneinander geneigt. Die beiden ltason a!:orcipiegel R1

und R11 be:-itzen jeweils die gleiche Durchlässigkeit,

:.o daß auch die beiden bei geöffneten Lichtschalter S

aus geicol:pelteai Impulse I1 und I1' jeweils wenigstens

ann'ihernd i;lc:iche Leistung haben. Die Umlenkspiegel U1

und U1' sind vollrcflelctierend und haben die Aufgabe,

die beiden in entgegengesetzter Fortpflanzung^richtung

,iiesgekopl:@lten lr@rul@:ci I1 bZw. 11' so umzulenken, das

sie nunmehr, , :-;ie auch der eingezeichnete ° trab- engang

-I??deute -, gleiche i crthflanzungs,ri chtung b;!:-.i t:-c-n. Diese

heidei°. :;l@i:;@t>I laerden Bierbei sehr hoch t:elas: te t. hs

isst daf:ir totalreflektierend=. 4#o-hy,.#s=rann

Chn- us«t::l i @#1?:# picgelscliiclii- : u sofern

@r#en#un

nicht nach BE.'i.rpl. .n1 die vc'rnie-

den t:erdez: h::rn.

BfA Q6 bCENAL

Beim Ausführungsbeispiel nach der Pig. 2 weist der Riesenirrpülslaser einen teildurchlässigen Resonatorspiegel R2 parallel zur Achse des aktiven Stßbes auf. Zwischen dem aktiven Stab und dem Resonatorspiegel R2 ist der in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbare Schalter S.tliederum innerhalb des Strahlenganges der Impulse 12 angeordnet. Das stabförmige aktive Material A2 besitzt an beiden Enden ebene Flächen, die in einem Winkel von etwa 45o zur Längsachse gegeneinander geneigt sind. Die optische Resonanz kommt nun auf folgende Weise zustande. Der längs der Stabachse angeregte Laserstrahl wird an den beiden Enden des Stabes im Winkel von 90o zur Stabachse umgelenkt. Diese Umlenkung kommt durch eine Totalreflexion der stimulierten Emission an den Sterbenden zustande. Die auf diese Weise umgelenkten, gleiche Richtung aufweisende Strahlen 12 treffen auf den teildurchlässigen Resonatorupiegel R2 auf, über den auch die Auerkopplung des Impulspaares 12 erfolgt. Ebenfalls nur einen Resonatorspiegel weist die Anordnung nach der Fig. 3 auf. Die eine Stirnfläche des subförmigen aktiven ?'aterials A3 ist senkrecht zu dessen Achse und ebcn ausgebildet, während seine andere, unter einem Viinkel von 45o gegen die Stabauhse geneigte Stirnfläche zur Realisierung der Optik eine Ycilfläche eines 450-

Prismas P ist, das-hierbei mit seiner Grundfläche senk-

recht zur Stabachse angeordnet ist. Auf seiten der einen

er s-tgenännten Stirnfläche des stabförmigen akti-ven-

Lhitcrials A3: ist der hierzu parallel angebrachte toll-

durchlässige Spiegel R3 vorgesehen. Die Laserschwingung

tritt aus dem stabiermigen aktiven Materials einerseits

aus der Stirnfläche senkrecht zur .Sti:ibachse aus und wird

am entgegenges-e-tz teil St übende durch das tri@m@1 wrrcirnal

unter einer Winkel von 9Ü Q umgelenkt und tritt aus dem

obcreia Teil der Grundflüche des Prismas parallel zur S tab--

achse aus-. Das auf diese Weise gewonnene Impulspaar 13 ;.

g lcicher Port;pflan-ungsrichtung wird durch den teil-

durchlässigen Resonätor,piegel R3 ausgekoppelt. In ein-

facher 'leise 'kann das -Prisma P an dem einen Stabende aus

Glas, vcrrzugs@7eise Bleiglas, bestehen, das an den Rubi n-

stab durch ein geeignetes Bindematerial befestigt ist,

also getrennt vom .Lasermaterial angeordnet ist.

Claims

Patentansprüche 1 . )Optischer ltlolekzilarver9tiirker zur b"rze-agung von Impulsen hoher :Leistung (ilie2enimpulsl:.::t3r), be-

bellend aus :intim stabfrirmigen aktiven Matürial, vor- zug@c;ei:;e Rubin, einer Und elncm c?iw Furlplichtauelle auf das aktirre Material @ibhildenden apiegülsystem, bei dem diis aktive Material in einem, r:ri t einer Auskoppelvorrichtung versehenen optischen :Ze=onator, insbesondere einen F,abry-Pero t-Recnator arrg cordne t i:. t, der zurü tzli ch t7enigs tela0 einen in einer :@icritdurch lassü;l:Li t steuerbaren Schalter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß elic Auskopplung an be=iden Enden des Stabes erfolgt, und zwar bei einer ausreichend großen Bemessung der T'ranohission des Resonators,und daß eine Optik vorgesehen ist, die die an den beiden Resonatorspiegeln ausgekoppelten Impulse in ein Impulspaar gleicher Fortpflanzungs- richtung unlvandclt.

2.
Optischer Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Optik an stabförmigen aktiven Material an beiden Enden ebene Flächen -,Tcrgesehen

sind, die in einem Winkel von etwa 4.5o zur Längsachse , gegeneinander geneigt sind und daß wenigstens ein teildurchlässiger Spiegel auf selten der aus den stabförmigen aktiven Material austretenden Impulsförmigen liehtstrahlen, und zwar parallel zu 'dessen Achse, angeordnet ist. 5.
Optischer Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-daß die eine Stirnfläche des stabföreigen aktiven Materials senkrecht zu dessen Achse und eben ausgebildet ist, während seine andere, unter. einem Winkel von 45o gegen die Stabachse geneigte Stirnfläche zur Realisierung der Optik eine Teilfläche eines 45o-Konu s oder eines 45 0-Prismas ist, der bzw. da. hierbei mit seiner Grundfläche senkrecht zur Stabachse angeordnet ist und daß auf selten der einen erstgenannten Stirnfläche des stabförmigen aktiven Materials ein hierzu parallel angebrachter teildürchlässiger Spiegel vorgesehen ist.
4. Optischer Molekularverstürkevom rabry-Perot-Typ, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide zueinander parallelen auf einander gegenüberliegenden Seiten des sta bfermigen aktiven Materials angeordneten Spiegel teildurchlässig ausgebildet sind und äa2 die Optik aus zwei vollreflektierenden Spiegeln, vorzugsweise 45o-Prisncn besteht, die bezogen auf das aktive Material in dessen Achsrichtung hinter den teildurchlässigen Spiegeln angebracht und unter einem Winkel von 45° gegen die Stabaehse geneigt sind.