DE1589588A1

DE1589588A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen kurzer Lichtimpulse hoher Leistung

Info

Publication number: DE1589588A1
Application number: DE19671589588
Authority: DE
Inventors: Gilbert Dauge; Maurice Michon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1966-03-25
Filing date: 1967-03-20
Publication date: 1970-05-21
Also published as: GB1166922A; ES338348A1; BR6787925D0; FR1492057A; LU53240A1; CH471479A; BE694983A; NL6703360A

Description

Patentanwälte DIpI.-Ing. R. Beete u. Μα-12.223p Dipl.-Ing. Lamprecht MOndian 22, Stelnedortetr. 10 1 C p Q C Q Commissariat al'Energie Atoraique, F ar is (Prankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen kurzer Lichtimpulse hoher Leistung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen außerordentlich kurzer KohKrentlicht-Ziopulse mit großer Spitzenleistung unter Verwendung eines Pe β tat off-Laser β; bei der erfindungsgemä0en Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird eine ganz spezielle Ausführung eines "auslöebaren" Lasers benutzt, der eine Energie von gegebenenfalls mehl* als 1/10 Joule während einer Zeit in der Größenordnung einer Nanosekunde emittiert.

■'-■■■-·. Das Prinzip eines nach dem Aufpumpen auszulösenden Lasers ist bekannt; bei diesem Laser haben die Spiegel, welche den optischen "Hohlraum" bzw. den Resonatorraum begrenzen, einen Reflexionsfaktor in der Nähe von 1; der Laser 1st mit einem optischen Auskopplunge-"Sehalter" versehen, der es gestattet, in einem bestimmten Augenblick die in dem Laser—Hohlraum" zuvor enthaltene Lichtenergie herauszuleiten bzw. auszukoppeln.

Andererseits sind Laser mit zuraindost einem halb- oder teilreflektiorenden Spiegel und einem optischen Amplitudenmodulator bekannt.

»10-B.88ia.5-HI (6) ^{BAD 0RIG1NAL}

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Die vorliegende Erfindung umfaßt insbesondere eine neue Kombination von Mitteln zur optischen Modulation einerseits mit Mitteln zum Auslösen und "Schalten¹* andererseits, die vollkommen neuartige Ergebnisse liefert.

•enauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von außerordentlich kurzen Impulsen kohärenten Lichtes mit großer Spitzenleistung unter Verwendung eines Feststofflasers; dieses Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst die Konzentration der sich aus der "Inversion der Laser-Population", insbesondere den angeregten Zuständen der Elektronen des Lasermaterials ergebenden Energie in ein Wellenpaket durchführt, dessen Längs-Abmessung wesentlich kleiner ist als die Länge des optischen Hohl- oder Resonanzraumes, und daß man sodann das auf diese Weise erhaltene Wellenpaket aus dem Hohlraum herausbringt bzw. auskoppelt.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch an sich bekannte Mittel zum Auslösen eines Lasers, beispielsweise ein drehbares Prisma, Mittel zum Modulieren des Transmissions- bzw. Durchlässigkeitsverhaltens nach einem Wechselfunktionsgesetz mit eiier Periode, die gleich der Zeit einer Hin- und ZurUckbewegung der Photonen in de^m optischen Hohlraum ist, und schließlich Mittel zum optischen "Schalten" des Herausführen* oder Auskoppeins eines Wellertpakets, die nach einer

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bestimmten Anzahl von Hin- und Hergängen der Photonen betätigt werden.

Das Prinzip der Wirkungsweise» die sich in zwei zeitlichen Stufen abspielt« ist das folgende:

1. Umformung der zunächst in dem aktiven Material gespeicherten oder vorhandenen Energie in elektromagnetische Energie innerhalb eines Wellenzuges oder Wellenpaketes, dessen Längserstreckung kleiner ist als die Länge des optischen Hohlraumes, und das innerhalb dieses Hohlraumes Hin- und Herbewegungen ausführt;

2. Herausbringen bzw. Auskoppeln des Wellenpakets aus dem optischen Hohlraum.

Um die erste Stufe der oben geschilderten Wirkungsweise zu realisieren» genügt es, wenn die Lage des Modulators und seine Modulationefrequenz derart gewählt werden, daß die von den aktiven Laser-Material emittierten Photonen den Modulator zum erstenmal durchlaufen, wenn dessen Transmission«faktor oder Durchlässigkeitsfaktor einen bestimmten Wert D hat, und diesen Modulator nach Reflexion an den Spiegeln erneut in einem Augenblick durchlaufen, in dem der Transmissionsfaktor des Modulators wiederum gleich D ist. Wenn der Modulator in der Mitte des optischen Hohlraumes (gemessen nach "optischen" Wegen) angeordnet wird, muß die Modulationsperiode gleich derjenigen Zelt sein, die ein Photon benötigt, um vom Modulator bis zu einem der Spiegel und wieder zurück zu gelangen, d.h. gleich L/c, wenn L die optische Länge des Hohlraumes und c die Lichtgeschwindigkeit in

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BAD ORIGINAL

diesem Raum ißt. Wenn der Modulator unmittelbar vor einem der Spiegel angeordnet wird, muß die Modulationsperiode gleich derjenigen Zeit sein, die ein Photon benötigt, um eine Hin- und Herbewegung in dem gesamten Hohlraum durchzuführen; d.h. gleich 2L/c. Diese letztere Anordnung, die eine nur halb so große Modulationsfrequenz benötigt, wird vorzugsweise in den weiter unten zu beschreibenden Anordnungsbeispielen angewendet.

Man geht vom Hull-Punkt der Zeit aus, für den der Augenblick des Auslösens der Laser-Energie gewählt wird, d.h. derjenige Augenblick, in dem die energetische Überspannung des optischen Hohlraumes sehr stark geworden ist und einige Fluoreszenz-Photonen, die innerhalb eines kleinen, auf die Achse des Systems zentrierten Raumwinkels emittiert werden, in der Lage sind, ein Auslösen der Laner-Emieaion zu bewirken oder zu stimulieren. Yon diesem Zoitnullpunkt ab bewirkt der Modulator eine Trennung oder eine be- Btlrmte Ordnung der Photonem Man kann diese Photonen in unterschiedliche iruppen trennen, definiert durch die Transmisalon bzw. den Durchlässigkeitsfaktor D des Modulators in Abhängigkeit von derjenigen Zeit, ssu der die Photonen zum erstenmal zum Modulator gelangen. Die NodulatIonsfrequenz ist die oben bereit« angegebene Frequenz; die energetische Uberapanmmg des Hohlraumes für jede der Photonengruppen iat konstant und von einer Gruppe zur anderen unterschiedlich.

Andererseits werden die sämtlichen Photonengruppen aus der Kleichen-potentiellen Energie gespeist, die in dem aktiven Laser-

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BAP ^u

Material gespeichert iat. Infolgedessen werden vom Einsetzen der Beeinflussung ab diejenigen Gruppen., denen die höchste Überspannung zugeordnet ist und bei denen infolgedessen die Anzahl der Photonen und die stimulierte Emission am größten sind, auf Kosten derjenigen Gruppen zunehmen, denen die kleinste Überspannung zugeordnet ist. Daraus folgt, daß

a) die Emission durch ein Wellenpaket stimuliert wird, dessen Längserstreckung c · Λ t kleiner ist als die Längs des optischen Hohlraumas (At ist ein Bruchteil der Modulationsperiode); ·

b) der Modulator steuernd die Laser-Emission vom Beginn des Phänomens ab beeinflußt, ganz im Gegensatz zu dem, was »ich abspielen würde, wenn der Modulator erst nach dem Einsetzen der Laser-Emissiori wirksam werden würde; der Modulator absorbiert wenig Photonen, da während derjenigen kurzen Zeitspannen der Modulationsperiode, In denen er absorbierend wirkt, der den Modulator erreichende Lichtfluß seinerseits sehr klein ist.

Aue den oben erwähnten Punkten a und b ergibt sich, daß man - ausgehend von der gleichen ursprünglich in dem aktiven Material durch Änderung der Nivaaubesetsiung oder "Inversion" gespeichertan Energie - eine elektromagnetische Energie erhält, die praktisch gleich derjenigen ist, die man ohne Modulation erhalten hätte; diese Energie ist jedoch in einem Lichtwellenpaket einer L8ngsei*3treckung von c · ^t enthalten oder konzentriert, die kleiner ist als die Länge des optischen Hohlraumes, und ¥fobei dieses Energiepaket innerhalb dieses Hohlraumes Hin- und Hex'bewegxingen durchführt.

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Ein "Polarisations-Ablenker" und eine elektrooptische Zelle sind derart in der Vorrichtung angeordnet, daß die Polarisationsebene der durch den Folarisation3-Ablenker gehenden Welle und die Ebene der optischen, in der Zelle erzeugten Achsen einen Winkel von 45° miteinander einschließen.

Unter einem Pola^isations-Ablenker ist ein ferät zu verstehen« das, wenn es in der gleichen Richtung zwei Lichtwellen empfängt, die zwei zueinander rechtwinkelige, definierte Polarisationsebenen aufweisen, diese beiden Wellen in zwei unterschiedlichen Richtungen weiterleitet. Ein derartiges •erXt ist beispielsweise ein ilan-Prisma, das bevorzugt verwendet werden soll.

Unter den Ausdruck "Elektrooptipche Zelle" wird vorzugsweise eine Pookels-Zelle verstanden, die aus einem "KDP"-Kristall (Kaliiradihydrogen) und ringförmigen Elektroden besteht.

Diene beiden Bauelemente oder Gerät* werden innerhalb dee optischen Laser-Hohlraumes vor einen der Spiegel gesetzt, in der Reihenfolge: Spiegel, Zelle, ölan-Priama.

Jeweils entsprechend der Spannung« welch® der optischen Zelle xugeführt wird, kann eine derartige Eletne ntzusamiaenstellung ein Amplitudenraodulator oder ein optischer "Schalter" zum Ablenken odor Auskoppeln von Lichtenergie sein. Wenn nämlich dieses System als Modulator arbeitet, hat die an die ZaHe angelegte Spannung die Form Tm « Yo sin ^itJ _mt> wobei Vo der Spitzenwert der Spannung und u>_m ihre "Pulsation" 1st. Die

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Lichtintensität der Welle hat nach einem Hin- und Hergang in dem System die Form I => Io cos (AVo sinu^t), worin A eine von den -Eigenschaften dee Kristalls der Zelle abhängige Konstante und Io der maximale Wert der Lichtintensität der durch das System hindurchgehenden Welle ist. Diese Punktion hat eine Periode von der Dauer -τ|~— — *Xj · Es ergibt sich, daß ins Fall

tu

|~— — *Xj

tu
einerHohlraumlSnge von L- 1,5 ■» in der die Frequenz für das Hin- und Herbewegen der Photonen Sw-- ■- 100 MHz ist, an die Zelle eine Steuerspannung der Frequenz 50 MHz angelegt wird.

Wenn das beschriebene System als Auskopplungs-Schalter wirken soll, wird die an die Zelle angelegte Spannung derart gewählt, daß die Phasenverschiebung zwischen den Wellen, die eioh aus der Trennung der auftreffenden Welle ergeben und deren Sohwingungeriohtungen mit den neutralen in dem KDP-Kristall erzeugten Linien übereinstimmen, "Vg für einen Durchgang oder 1t für einen doppelten Durchgang nach einer Reflexion am Spiegal iet.

Dabei bildet die Polarisationsebene der Welle, welche-die -Zelle-zweimal*-durchlaufen, hat-und- aus dem WiedersueamsBensetten der beiden genannten Wellen gebildet ist, einen Winkel von mit der Polarisationsebene der «Lntre-ffonden Welle. B&raur« folgt, ό&Β diese Welle durch daa Qlein-Pristna avs'dem optischen Mohlrtuim abgelenkt bzw, auegekoppelt wird.

' - BAD ORtGIMAL 00 98 2' / : h*i

In der Zeichnung sind zur Erläuterung der Erfindung unterschiedliche Ausführungebeispiele veranschaulicht. In der Zeichnung zeigern

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten AuefUhrungsform einer Torrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausf Uhrungs forrn;

Fig. 3 eine dritte vereinfachte Ausführungsform;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungswelse einer Anordnung nach Fig. 3.

Nach der Fig. 1 ist ein Stab 9 aus Rubin oder "gedoptem" Olas mit einer Blitzlampe 8 versehen» welche an eine Kondensator· batterie 16 angeschlossen ist. Der Stab befindet sich in einem optischen Hohl- oder Resonanxrau», der durch einen vollreflektierenden Spiegel 13 und ein drehbares Prisma 2 begrent ist; dieser Hohlraue stellt ein Perot-Fabry-Interferometer dar, wenn die Reflexionsflache 2* des Prismas 2 parallel zum Spiegel 12 ist.

Der Laser-Stab 9 läßt sich durch die Blitzlampe 8 "pumpen", beispielsweise durch Entladen der bereits erwähnten Kondensatoren l6 in die Blitzlampe 8 mit Hilfe einer über eine Leitung 7 und Schließen eines Kontaktes 6 zugeleiteten Ionlsationsspannung aus einer'Hilfeapannung3quelle 17. Die Ausbildung des optischen

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■ . - ο —

Hohlraumes als Interferometer Perot-Fabry und das Drehen des Prismas machen es möglich, die Laser-Emission auszulösen und die als Quantenenergie in dem Stab 9 gespeicherte Energie in Form von elektromagnetischer Energie zu erhalten.

Sin Modulator M ist beispielsweise durch Zusammenbau eines •lan-Prismas 10 und einer Pockels-Zelle 12 gebildet, die mit ringförmigen Elektroden 11,11' versehen ist. Dieser Modulator wird durch eine alternierende oder Wollen~Spannung aus einem Hochfrequenzgenerator I^ gesteuert, der an die Elektroden 11,11' der Zelle angeschlossen ist, Diese Spannung wird durch Sohlieflen eines Sehalters 15 angelegt.

Die elektromagnetische Energie, die aus Photonen besteht, wolohe von dor in dem Stab gespeicherten Quantenenergie freit werden, wird in einem Wellenpakot kurzer axialer Länge oder konzentriert, das unter der Wirkung eines Schalters sodann in Form eines sehr kurzen Licht« aus desa Hohlraum herausgebracht bzw. ausgekoppelt wird.

Der optische "Auskopplungs"-Schalter C besteht vorzugsweise aus der Kombination eines Ulan-Frlsmas 5 und einer Pockels-Salle 3» dis 2W9i ringförmige Elektroden 4,V aufweist. Dieser Schalter wir«! durch eine tlöichspannung eines Soneratore 18 gesteuert; daß Anlegen der Spannung kann durch Schließen eines Schalters erfolgen.

Slni'johalfcen der unterschiedlichen Spannungen im gewünschten Augenblick und während der gewünschten Dauer erfolgt

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- ίο -

mittels eines Programragerätes 20, das in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch einen Impuls eingeschaltet werden kann,⁵** den ein in Synchronismus mit dem Prisma 2 gegenüber einer Spule drehbarer Magnet liafert. Eine derartige Vorrichtung, die in einem Steuerorgan 1 enthalten sein kann, das seinerseits mit dem Programmgerät 20 verbunden ist, wirkt auf die Schalter 19, 6 und 15 Über die entsprechenden Leitungen a, b und o.

Die Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schema, bei dem der Modulator (Eleaent 10 und 12 der Pig» 1 und der Schalter (Organe 5 und 5 der Pig. 1) zu einer einzigen Anordnung M,C zusammengezogen sind, die aus den Elementen 10 und 12 der Fig. 2 besteht. Tatsächlich sind die Bauteile des Modulators 10,12 und des Schalters 3,5 in der Pig« 1 an sich dis gleichen; sie arbeiten außerdö» zu untereohledlichca Zeitpunkten. Es steht daher nichts ia Wege, sie in einer einsigen einfachen Anordnung zusammenzufassen. Bei der Darstellung nach Fig. 2 erfüllen das Glem-Priso* und die Poekels-Zelle sowohl die Punktionen des Modulators X si* auch die des Schalters C aus Pig, 1. Für die Steuerung ist das PrograamgerKt 20 der Fig. 1 durch ein Prograiaagerät 20* ersetzt «orden, das zua Auslösen oder Einschalten der Blitzlampe 8 Über die Leitung b auf den Schalter 6 wirkt und über eine Leitung d auf den Umschalter 21, der an die Elektroden 11,11* der PookalK-Zelle 12 entweder die Spannung des Gleichstromgenerators 18 oder die Spannung des Wechselspannungsgenerators 14 anlegt.

Die anderen Bezugszeichen der Pig. 2 haben die gleiche I»deutung wie in der Fig* I.

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- li -

In der Pig. 3 ist wiederum eine gleiche Kombination aus einen llan-Prlerne 10 und einer Pockele-Zelle 12 für die Funktionen dee Auelöeena, der Modulation und dee Auekoppeins der Energie vorgesehen.

Da« drehbVre Prisma 2 nach den Fig. 1 und 2 1st durch einen »weiten festen Spiegel 22 ersetzt worden. Ein ProgrammgerMt 20" steuert Über die Leitungen b und d die gesante Wirkungsweise des Lasers und der Blementengruppe aus dem Olan-Prisma 10 und der Fookels-Zelle 12, die nacheinander als Auslöser, Modulator und optischer Auekoppelschalter wirkt.* -

Die unterschiedlichen Zeltstufen sind in den Diagramm der Pig. 4 veranschaulicht. Wenn in den Zeltpunkt 0 durch Schließen des Kontaktes 6 in Flg. 3 das optische Aufpumpen des Lasers beginnt, legt !»an an die Pockele-Zelle 12 eine Oleichspannung V₁, «eiche des) Transodssions- oder DurchlKssigkeitsfaktor der gesajsten Anordnung aus den Olan-Prlsma und der Pockele-Zelle auf den Wert Null herabsetzt; diese Spannung wird während einer Zeltdauer T₁ aufrechterhalten, wie sie notwendig ist, damit die "inversion¹' der Population bzw. die Erregung ihren höchsten wert erreicht. Dann ersetzt man die Spannung V, durch die Modulationsspannung V_ffl mit den Spitzenwert Y₀,der gegebenenfalls gleich den Wert V₁ sein kann, und läßt diese Modulatlonssp&nnung wahrend einer Dauer T₂ wirken, die notwendig 1st, damit- das Wellenpaket, in dem die stimulierte Bmlßsion konzentriert ist, sichausbildet und seine höchste Intensität erreicht. Schließlich

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gestattet ein Impuls mit der Amplitude T₁ und einer kurzen Anstiegszeit T,, die kleiner ist als die Zeit T dieses Wellenpakatsaus des optischen Hohlraum herauszubringen bzw. auszukoppeln.

So können beispielsweise T₁ zwischen 50 und 100 Ais, Tg bei etwa 30 bis 100 ns, und T, bei etwa 1 bis 5 ns liegen* Man kann auf diese Weise das Freisetzen von Leistungen von einigen 100 mW in Porin von Impulsen einer Dauer einiger Nanosekunden möglich machen.

Selbstverständlich sind zahlreiche Varianten der beschriebenen Anordnungen möglich« ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen; die geschilderten AusfUhrungsbeispiele haben nur den Zweck, ale Beispiele zur Erläuterung zu dienen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Srzeiigen sehr kurzer Kohärentliohtimpulse großer Spitzenleistung unter Verwendung eines Peststoff-Lasars, wobei zunächst die aus der "Inversion der Population" herrührende Energie konzentriert und dann aus dem optischen Hohlraum herausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet , daS man die Energie in einem Wellenpaket konzentriert, dessen Längsecstreckung kleiner ist, als die Länge des optischen Hohlraums.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man »um Konzentrieren der Energie in einer Zone des Hohlraumes einen hohen Tranfimissiona« oder Durehlaßkoeffizienten Nährend einer At erzeugt, die nur ein Bruchteil der Hin- und

!ST

T « ~=i der Photonen in dem Hohlraum der Länge L ißt, und w&hrend 4as Zeltintervalle T * At einen kleinen

i, und daß man diese Änderung des

mit einer Periode T wMhrend der Dauer erregten Zustände wiederholt.

>. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrene nach den Ansprüchen 2, mit Einrichtungen sum Auslösen des Lasers und zum opti-'"Schalten¹¹ zweck» Aua koppe Ins - in einem bestimmten Augen-Mick - der zuvor konzentrierten Energie aus dem Hohlraum, gefcermz«lehnet ferner durch eine Einrichtung (10,12) zur Modulation des irrAn»raie»iona~ odei· Durchlaßkoeffiaienten nach einer Wecheelmit einer Periode T, die der Hin- und Herlauf seit der ' In ööm optleohen Hohlraum entspricht.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtung zum Auslösen des Lasere ein drehbares Prisma (2.) enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum optischen "Schalten" ein dlan-Prisma (5) und eine mit Oleichspannung steuerbare Pockels-Zelle (3) oder entsprechende Bauelemente enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Modulieren ein Olan-Prisma (10) und eine mit Wechselspannung der Perlode 2T gesteuerte Pockels-Zelle (12) enthält.

7· Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Modulieren und optischen Schalten in einer einzigen Baugruppe vereinigt sind« die vorzugsweise ein ölan-Prlsaa (10) und eine wahlweise mit ileich- oder Wechselspannung •teuerbare Pookels-Zelle (12) umfaßt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5* 6 und 7# dadurch ge kenn-Belohnet, daß zum Binsehalten einer Purop-Blitzleuchte (8) und dem wahl- und wechselweisen Einschalten der Wechsel* und dor fleichspannung ein Prograiamgerät (20,2O¹) vorgesehen ist, das alt dem drehbaren Prisma (2) gekuppelt ist.

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9. Vorrichtung nach *Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Hohlraum mit zwei festen reflektierenden Spiegeln (I5 und 22) versehen ist un«i ein© Einrichtung aunt Auslösen, Modulieren und optischen (Auskoppel-)Schalten eine einzige Bauelementgruppe ist, welche vorzugsweise ein aian-Prisma (IC) und eine Pockela-EeHe (12) - oder entsprechende Elemente - sowie einen Hochepftrmimge-fleiohetroegenerator (18'), einen Wechselspannungseenerator (1%') und ein Programms«rät (20") umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Prograircigsr&t (20*) für die folgende Sohaltfolge auegelegt ists Einschalten des optischen Punpens, Anlegen einer Gleichspannung (T^) au die optische Zelle (12) zxaa Herabsetzen des Tranaaiesionsk&effirienten in den Hohiraus etwa auf den Wert Muli» Abschalten de? Oleichspanmmg, Anlegen einer Modulations-

und sehliseiioh Anlegen eines Oleiohapannunge-

oder Hefauslelten des Paketes verstärkter

Liahtw»ll«n.

BAD

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