DE1589737B2 - GIANT OPTICAL IMPULSE TRANSMITTER FOR COAERENT LIGHT - Google Patents
GIANT OPTICAL IMPULSE TRANSMITTER FOR COAERENT LIGHTInfo
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
- H01S3/1123—Q-switching
- H01S3/121—Q-switching using intracavity mechanical devices
- H01S3/125—Q-switching using intracavity mechanical devices using rotating prisms
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Riesenimpulssender für kohärentes Licht, dessen optischer Resonator dadurch in seiner Güte (Q) veränderbar (Q-geschaltet) ist, daß durch Mehrfachreflexion die Winkelgeschwindigkeit des kohärenten Lichtstrahls gegenüber der mechanischen Winkelgeschwindigkeit seines Drehspiegels vervielfacht ist.The invention relates to a giant optical pulse transmitter for coherent light, the optical resonator of which can be changed in its quality (Q) (Q-switched) by multiplying the angular speed of the coherent light beam compared to the mechanical angular speed of its rotating mirror.
Als »Q-Schaltungen« werden üblicherweise Schaltvorgänge bezeichnet, die im Prinzip darin bestehen, daß die Lichtdurchlässigkeit des Resonatorinnern oder die Reflexion der Resonatorflächen mittels eines gesteuerten Lichtschalters (Kerr-Zelle) oder eines Drehspiegels als Funktion der Zeit variiert werden.Switching operations are usually referred to as "Q-switching" denotes, which in principle consist in the fact that the light permeability of the resonator interior or the Reflection of the resonator surfaces by means of a controlled light switch (Kerr cell) or a rotating mirror can be varied as a function of time.
Es hat sich gezeigt, daß die Dauer der Schaltzeit einen großen Einfluß auf die Form des erzeugten Laserimpulses dergestalt ausübt, daß bei konstanter Inversion des stimulierbaren Mediums eine Verlängerung der Schaltzeit zu Mehrfachimpulsen der Laserausgangsleistung führt.It has been shown that the duration of the switching time has a great influence on the shape of the laser pulse generated exercises in such a way that with constant inversion of the stimulable medium an elongation the switching time leads to multiple pulses of the laser output power.
Einen ähnlichen Einfluß auf die Form des Impulses hat bei konstanter Schaltzeit der Betrag der Überbesetzung des stimulierbaren Mediums. Ab einer bestimmten Inversion des stimulierbaren Mediums neigt nämlich ein Riesenimpulslaser bei konstanter Schaltzeit dazu, Mehrfachimpulse abzugeben. Als Folge davon ergibt sich, daß die Laserausgangsimpulsleistung bei konstant gehaltener Schaltzeit durch eine Erhöhung der Anregungsenergie nicht vergrößert werden kann,The amount of overcrowding has a similar influence on the shape of the pulse with constant switching time of the stimulable medium. From a certain inversion of the stimulable medium tends namely a giant pulse laser with constant switching time to emit multiple pulses. As a result this results in the laser output pulse power being increased by increasing the switching time kept constant the excitation energy cannot be increased,
ίο wenn die Forderung besteht, daß die gesamte Leistung in Form eines einzelnen »Riesenimpulses« abgegeben werden soll.ίο if the requirement is that the entire service should be delivered in the form of a single "giant impulse".
Unter den oben geschilderten Bedingungen macht somit die angestrebte Vergrößerung der Laserausgangsleistung eine Verkürzung der Schaltzeit der g-Schaltung erforderlich.Thus, under the conditions outlined above, the desired increase in laser output power is achieved a shortening of the switching time of the g-circuit is necessary.
Die bisher bekannten Q-Schaltungen, die mit einem Drehspiegel arbeiten, haben den Nachteil, daß die Winkelgeschwindigkeiten solcher optischer Bauteile durch die mögliche Höchstdrehzahl des zugehörigen Antriebsaggregats (Elektromotor, Turbine oder dgl.) bestimmt werden. Infolgedessen kann die Schaltzeit nicht beliebig herabgesetzt werden, so daß im Endergebnis der Höhe der Ausgangsimpulsleistung des Lasersystems durch die maximale Drehzahl des Antriebsmotors des g-Schalters Grenzen gesetzt sind.The previously known Q-circuits with a Working rotating mirrors have the disadvantage that the angular speeds of such optical components by the possible maximum speed of the associated drive unit (electric motor, turbine or the like) to be determined. As a result, the switching time can not be reduced arbitrarily, so that the end result the level of the output pulse power of the laser system by the maximum speed of the Drive motor of the g-switch limits are set.
Es sind jedoch auch schon Q-Schaltungen bekannt,However, Q-circuits are already known,
bei denen die Winkelgeschwindigkeit des kohärenten Lichtstrahls durch Mehrfachreflexion gegenüber der mechanischen Winkelgeschwindigkeit des Drehspiegels vervielfacht ist. So wird in der deutschen Auslegeschrift 1 212 636 ein mit Q-Schaltung arbeitender optischer Sender für stimulierte Strahlung beschrieben, bei dem der Drehspiegel mit einem festen Endspiegel zusammenarbeitet, wodurch die Winkelgeschwindigkeit des Strahles, die ohne den festen Endspiegel im gespiegelten Strahl bereits verdoppelt ist, durch die nochmalige Spiegelung erneut verdoppelt wird.in which the angular velocity of the coherent light beam due to multiple reflection compared to the mechanical angular speed of the rotating mirror is multiplied. This is what the German interpretative document says 1 212 636 describes an optical transmitter for stimulated radiation operating with a Q-circuit, at which the rotating mirror cooperates with a fixed end mirror, reducing the angular velocity of the beam, which is already doubled in the reflected beam without the fixed end mirror, by the repeated mirroring is doubled again.
In den »IEEE Transactions on Military Electronics«, Januar 1964, S. 13 bis 21, ist in der F i g. 2 ebenfalls eine Q-Schaltung dargestellt, bei der ein Drehspiegel mit einem fest angeordneten Reflektor zusammenwirkt und dadurch eine Verdoppelung der Winkelgeschwindigkeit des gespiegelten Strahls erreicht wird.In the "IEEE Transactions on Military Electronics", January 1964, pp. 13 to 21, FIG. 2 also a Q-circuit shown in which a rotating mirror cooperates with a fixed reflector and thereby a doubling of the angular velocity of the reflected beam is achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Riesenimpulssender der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Schaltzeit der O-Schaltung bei normaler Winkelgeschwindigkeit des Drehspiegels noch um ein beträchtliches Maß verkürzt ist.The invention is based on the object of providing a giant optical pulse transmitter of the type mentioned at the beginning Specify the type in which the switching time of the O-circuit is still shortened by a considerable amount at normal angular speed of the rotating mirror.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Drehspiegel symmetrisch um seine ■Drehachse η ebene Spiegelflächen aufweist, denen ein Kranz von (n — 1) feststehenden ebenen Gegenspiegeln derart gegenübersteht, daß an der Eingangs-Ausgangsseite des Resonators ein Gegenspiegel fehlt, und daß im Augenblick der größten Güte (Q-Wertes) des optischen Resonators die feststehenden Gegenspiegel gegenüber den entsprechenden Spiegelflächen desThis object is achieved according to the invention in that the rotating mirror has flat mirror surfaces symmetrically about its axis of rotation η , which are opposed by a ring of (n - 1) fixed flat counter-mirrors in such a way that a counter-mirror is missing on the input-output side of the resonator, and that at the moment of the greatest quality (Q value) of the optical resonator, the fixed counter mirror opposite the corresponding mirror surfaces of the
, Drehspiegels um einen Winkel von —z— bzw. — ver f ο 2n 11 , Rotating mirror by an angle of —z - or - ver f ο 2n 11th
setzt sind.are set.
Durch dieses Reflexionssystem wird der aus dem stimulierten Medium heraustretende und in das Reflexionssystem eintretende Strahl mehrfach in der Rotationsrichtung des Drehspiegels zwischen dessen Spiegelflächen und den entsprechenden Gegenspiegeln hin- und zurückgeworfen, so daß jede der «-reflektierenden Flächen die Winkelgeschwindigkeit des StrahlsThis reflection system makes the one emerging from the stimulated medium and into the reflection system entering beam several times in the direction of rotation of the rotating mirror between it Mirror surfaces and the corresponding counter-mirrors thrown back and forth, so that each of the «-reflective Areas is the angular velocity of the beam
3 43 4
um den Betrag 2ω vermehrt, wenn ω die mechanische reflektiert, bis er schließlich mit 12facher Winkel-Winkelgeschwindigkeit bedeutet, mit der sich der geschwindigkeit wieder am Ausgang des Q-Schalters Drehspiegel um seine Drehachse bewegt. in Erscheinung tritt.Increased by the amount 2ω if ω reflects the mechanical, until it finally means with 12 times the angular angular velocity, with which the velocity again moves around its axis of rotation at the output of the Q-switch rotary mirror. appears.
Der schließlich aus dem Reflexionssystem heraus- Infolge der erhöhten Winkelgeschwindigkeit des ausThe finally out of the reflection system due to the increased angular velocity of the out
tretende Strahl besitzt infolgedessen eine um den 5 dem Q-Schalter austretenden Strahls 14 ist aber nunAs a result, the exiting ray has a ray 14 exiting around the 5 of the Q switch, but is now
Faktor 2 η vergrößerte Winkelgeschwindigkeit. gewährleistet, daß nur während einer extrem kurzenFactor 2 η increased angular velocity. ensures that only during an extremely short
Da die Schaltzeit des Q-Schalters umgekehrt propor- Zeitspanne die Rückkopplungsbedingung des Laser-Since the switching time of the Q switch is inversely proportional to the feedback condition of the laser
tidnal zur Winkelgeschwindigkeit ist, erhält man auf systems erfüllt ist und die gesamte Laser-Ausgangs-tidnal to the angular velocity, one obtains on systems is fulfilled and the entire laser output
diese Weise eine entsprechend kurze Schaltzeit, ohne leistung in Form eines einzigen »Riesenimpulses« aus-In this way, a correspondingly short switching time, without any power in the form of a single "giant impulse".
daß die Drehzahl des rotierenden Teiles des Q-Schalters io gesendet werden kann,that the speed of the rotating part of the Q-switch can be sent io,
über den Normalwert hinaus erhöht zu werden braucht. Die Energiedichte in einem Q-geschalteten Riesen-needs to be increased above normal. The energy density in a Q-switched giant
Die erzielte erhebliche Verkürzung der Schaltzeit des impulslaser ist unter Umständen sehr hoch, so daßThe achieved considerable reduction in the switching time of the pulse laser is very high under certain circumstances, so that
Q-Schalters führt zu einer wesentlichen Verbesserung Metallspiegel leicht beschädigt werden können. NachQ switch leads to a significant improvement in metal mirrors that can easily be damaged. To
der Sendeleistung des Impulslasers, da das Auftreten einem weiteren Merkmal der Erfindung ist daher vor-the transmission power of the pulsed laser, since the occurrence of a further feature of the invention is therefore pre-
von Mehrfachimpulsen geringer Ausgangsleistung 15 gesehen, daß die feststehenden Gegenreflektoren desseen from multiple pulses of low output power 15 that the fixed counter reflectors of the
vollständig vermieden werden kann. Q-Schalters dielektrische Schichtspiegel sind. Vorzugs-can be completely avoided. Q-switches are dielectric layer mirrors. Preferential
Der Drehspiegel kann z. B. als Polygonspiegel aus- weise werden dielektrische Schichtspiegel verwendet,The rotating mirror can, for. E.g. as polygon mirrors, dielectric layer mirrors are used,
gebildet oder aus mehreren totalreflektierenden Pris- deren Zerstörungsgrenze bei einer Energiedichte vonformed or from several totally reflecting prisms whose destruction limit at an energy density of
men zusammengesetzt sein. etwa 10 MW cm"2 liegt.men be composed. about 10 MW cm " 2 .
Als feststehende Gegenspiegel werden vorteilhaft di- 20 Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines elektrische Schichtspiegel verwendet, die nicht so g-Schalters nach der Erfindung ist aus F i g. 2 zu entschnell wie Metallspiegel zerstört werden. nehmen. In diesem Beispiel enthält der optische Reso-As a fixed counter-mirror advantageously di- 20 Another preferred embodiment of a electrical layer mirror used, the not so g switch according to the invention is from FIG. 2 too fast how metal mirrors are destroyed. to take. In this example the optical reso-
Es ist aber auch möglich, Dachkantprismen oder nator einen Rubinstab 21, mit nachfolgendem Plan-But it is also possible to use roof prisms or nator a ruby rod 21, with the following plan
Tripelspiegel für diesen Zweck einzusetzen. plattenresonator 22. An der gegenüberliegenden Stirn-Use triple mirror for this purpose. plate resonator 22. On the opposite front
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nun 25 seite des Rubinstabes 21 befindet sich ein als Q-SchalterThe further explanation of the invention is now 25 side of the ruby rod 21 is a Q switch
an Hand der Zeichnung. In den F i g. 1 und 2 sind ver- dienendes Reflexionssystem, in dem das rotierendeon the basis of the drawing. In the F i g. 1 and 2 are deserving reflection systems in which the rotating
schiedene Ausführungsbeispiele für als Q-Schalter Gebilde aus mehreren totalreflektierenden PrismenDifferent exemplary embodiments for Q-switch structures made up of several totally reflective prisms
dienende Reflexionssysteme nach der Erfindung dar- zusammengesetzt ist.serving reflection systems according to the invention is composed.
gestellt. Das rotierende würfelförmige Prismengebilde ist mitposed. The rotating cube-shaped prism structure is with
Das System des Impulslasers besteht gemäß F i g. 1 30 23 bezeichnet. Es besteht aus 4 rechtwinkligen PrismenThe system of the pulsed laser consists according to FIG. 1 30 23 designated. It consists of 4 right-angled prisms
im wesentlichen aus einem Rubinstab 1, einem an 24, die an ihren Längskanten so aneinander gefügtessentially of a ruby rod 1, one at 24, which are joined to one another at their longitudinal edges
dessen einer Stirnseite angeordneten totalreflektieren- sind, daß ihre vier totalreflektierenden Hypothenusen-whose one end face are totally reflecting, that their four totally reflecting hypotenuse
den Prisma 3 und aus einem teildurchlässigen plan- flächen ein Quadrat ergeben, das sich innerhalb desthe prism 3 and a partially transparent planar surface results in a square that is within the
parallelen Plattenpaar 4, das der Ausgangsseite des Prismengebildes 23 befindet.parallel plate pair 4, which is the output side of the prism structure 23.
Q-Schalters zugeordnet ist und zur Auskopplung der 35 Den drei freien Seiten des Prismengebildes 23 gegen-Q-switch is assigned and for decoupling the 35 The three free sides of the prism structure 23 opposite-
Laserenergie aus dem optischen Resonator dient. über befindet sich jeweils ein feststehendes totalreflek-Laser energy from the optical resonator is used. above each there is a fixed total reflective
Die Anregungsenergie für das stimulierbare Medium tierendes Reflexionsprisma. Die mit 25 bis 27 bezeich-The excitation energy for the stimulable medium tiering reflection prism. Those labeled 25 to 27
wird durch eine Gasentladungsröhre 2 geliefert, die neten Reflexionsprismen können als Dachkantprismenis supplied by a gas discharge tube 2, the Neten reflection prisms can be roof prisms
z. B. wendelförmig um den Rubinstab 1 gewunden ist. ausgebildet sein.z. B. is wound helically around the ruby rod 1. be trained.
Der Q-Schalter, der sich also im optischen Weg 40 Es ist aber auch denkbar, daß als feststehendeThe Q switch, which is in the optical path 40, but it is also conceivable that as a fixed
zwischen dem Rubinstab 1 und dem teildurchlässigen Gegenreflektoren innerhalb des Q-Schalters Tripel-between the ruby rod 1 and the partially transparent counter-reflector inside the Q-switch triple
Plattenpaar 4 befindet, besteht aus einem Polygon- Spiegel Verwendung finden.Plate pair 4 is located, consists of a polygonal mirror use.
spiegel 5 mit sechs gleichen reflektierenden Außen- Die Wirkungsweise des Q-Schalters ist praktisch diemirror 5 with six identical reflective exterior The mode of operation of the Q-switch is practically the same
flächen 13 und weiterhin aus fünf feststehenden Gegen- gleiche wie sie bereits an Hand des Systems nachareas 13 and further from five fixed counterparts as they are already based on the system
reflektoren 7 bis 11. Diese sind um den Polygon- 45 F i g. 1 erläutert worden ist. Man erhält im Falle derreflectors 7 to 11. These are around the polygon 45 F i g. 1 has been explained. In the case of
spiegel 5 herum regelmäßig verteilt angeordnet, und Anordnung nach F i g. 2 auf Grund der Rotation desmirror 5 arranged regularly distributed around, and arrangement according to F i g. 2 due to the rotation of the
zwar derart, daß jeweils zwei seiner Außenflächen 13 Prismengebildes 23 um seine Achse 28 die Sfachein such a way that in each case two of its outer surfaces 13 prismatic formation 23 about its axis 28 is S-fold
einem der Gegenreflektoren optisch zugeordnet sind. Winkelgeschwindigkeit des aus dem Q-Schalter zurück-are optically assigned to one of the counter reflectors. Angular velocity of the return from the Q switch
Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung gibt die Stellung kommenden Strahls. Die Anordnung der der AnregungThe in F i g. The arrangement shown in FIG. 1 gives the position of the coming beam. The arrangement of the suggestion
des Polygonspiegels 5 im Falle des in sich geschlossenen 50 dienenden Gasentladungslampe ist in F i g. 2 der Ein-of the polygon mirror 5 in the case of the self-contained gas discharge lamp 50 is shown in FIG. 2 the one
Resonanzraumes wieder. In diesem Falle stellt die dem fachheit halber nicht eingezeichnet.Resonance space again. In this case, it is not shown for the sake of simplicity.
Rubinstab 1 zugeordnete Außenfläche 13 den Schalter- Die Verwendung des aus einer Anzahl PrismenRuby rod 1 associated outer surface 13 the switch- The use of a number of prisms
eingang dar, während die dem Plattenpaar 4 zugewen- zusammengesetzten Q-Schalters, wie er aus F i g. 2input, while the Q-switch facing the pair of plates 4, as shown in FIG. 2
dete Außenfläche des Polygonspiegels 5 den Schalter- beispielsweise hervorgeht, empfiehlt sich dann, wennDete outer surface of the polygon mirror 5 shows the switch, for example, is recommended when
ausgang bildet. 55 besonders hohe Ausgangsleistungen des Impulslasersoutput forms. 55 particularly high output power of the pulse laser
Wenn der Q-Schalter in Betrieb gesetzt ist, rotiert der gefordert werden, wobei Energiedichten überWhen the Q switch is put into operation, the demand rotates, taking energy densities over
Polygonspiegel 5 mit hoher Drehzahl um seine Mittel- 10 MW cm"2 auftreten können,Polygon mirror 5 can occur at high speed around its central 10 MW cm " 2 ,
achse 6. Die Antriebsmittel für den Polygonspiegel 5 Es ist selbstverständlich, daß die möglichen Ausbil-axis 6. The drive means for the polygon mirror 5 It goes without saying that the possible training
sind der Einfachheit halber nicht in F i g. 1 einge- dungsweisen des erfindungsgemäßen Q-Schalters nichtare not shown in FIG. 1 for the sake of simplicity. 1 does not include the Q-switch according to the invention
zeichnet. 60 auf die in den Zeichnungen gezeigten Beispiele be-draws. 60 refer to the examples shown in the drawings
Der aus dem Rubinstab 1 austretende Strahl 12 ge- schränkt sind, sondern daß noch verschiedene im langt in das Reflexionssystem des Q-Schalters und wird Rahmen der Erfindung liegende Variationen, wie ins-The beam 12 emerging from the ruby rod 1 are restricted, but that different im reaches into the reflection system of the Q-switch and is within the scope of the invention variations, such as
hier zwischen den Außenflächen 13 des mit der Winkel- besondere hinsichtlich der Anzahl und Anordnung der geschwindigkeit ω rotierenden Polygonspiegels 5 und reflektierenden Flächen bzw. der Prismen usw. denk-here between the outer surfaces 13 of the with the angle special with regard to the number and arrangement of the speed ω of rotating polygon mirror 5 and reflecting surfaces or prisms etc.
den festen Gegenspiegeln 7 bis 11 hin- und zurück- 65 bar sind.the fixed counter mirrors 7 to 11 can be 65 back and forth.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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