DE1589737C - Optischer Riesenimpulssender fur ko harentes Licht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Riesenimpuls- 5° Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch sender für kohärentes Licht, dessen optischer Resona- gelöst, daß der Drehspiegel symmetrisch um" seine tor dadurch in seiner Güte (Q) veränderbar (ö-geschal- Drehachse η ebene Spiegelflächen aufweist, denen ein tet) ist, daß durch Mehrfachreflexion'die Winkel- Kranz von (n — 1) feststehenden ebenen Gegenspiegeln geschwindigkeit des kohärenten Lichtstrahls gegenüber derart gegenübersteht, daß an der Eingangs-Ausgangsder mechanischen Winkelgeschwindigkeit seines Dreh- 55 seite des Resonators ein Gegenspiegel fehlt, und daß spiegeis vervielfacht ist. im Augenblick der größten Güte (g-Wertes) des opti-

AIs »ß-Schaltungen« werden üblicherweise Schalt- sehen Resonators die feststehenden Gegenspiegel vorgänge bezeichnet, die im Prinzip darin bestehen, daß gegenüber den entsprechenden Spiegelflächen des die Lichtdurchlässigkeit des Resonatorinnern oder die _Oreh ■ _{h um dnen winkel von} ™L _bzw. ü _ver. Reflexion der Resonatorflachen mittels eines gesteuer-'60 ^r ° in η

ten Lichtschalters (Kerr-Zelle) oder eines Drehspiegels setzt sind.

als Funktion der Zeit variiert werden. Durch dieses Reflexionssystem wird der aus dem

Es hat sich gezeigt, daß die Dauer der Schaltzeit stimulierten Medium heraustretende und in das Reeinen großen Einfluß auf die Form des erzeugten Laser- flexionssystem eintretende Strahl mehrfach in der impulses dergestalt ausübt, daß bei konstanter Inver- 65 Rotationsrichtung des Drehspiegels zwischen dessen sion des stimulierbaren Mediums eine Verlängerung Spiegelflächen und den entsprechenden Gegenspiegeln der Schaltzeit zu Mehrfachimpulsen der Laseraus- hin- und zurückgeworfen, so daß jede der «-reflektiegangsleistung führt. renden Flächen die Winkelgeschwindigkeit des Strahls

3 4

um den Betrag 2 ω 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.

Der schließlich aus dem Reflexionssystem heraus- Infolge der erhöhten Winkelgeschwindigkeit des aus

tretende Strahl besitzt infolgedessen eine um den 5 dem Q-Schalter austretenden Strahls 14 ist aber nun

Faktor In vergrößerte Winkelgeschwindigkeit. gewährleistet, daß nur während einer extrem kurzen

Da die Schaltzeit des Q-Schalters umgekehrt propor- Zeitspanne die Rückkopplungsbedingung des Laser-

tional zur Winkelgeschwindigkeit ist, erhält man auf systems erfüllt ist und die gesamte Laser-Ausgangs-

diese Weise eine entsprechend kurze Schaltzeit, ohne leistung in Form eines einzigen »Riesenimpulses« aus-

daß die Drehzahl des rotierenden Teiles des Q-Schalters io gesendet werden kann,

über den Normal wert hinaus erhöht zu werden braucht. Die Energiedichte in einem Q-geschalteten Riesen-

Die erzielte erhebliche Verkürzung der Schaltzeit des impulslaser ist unter Umständen sehr hoch, so daß

Q-Schalters führt zu einer wesentlichen Verbesserung Metallspiegel leicht beschädigt werden können. Nach

der Sendeleistung des Impulslasers, da das Auftreten einem weiteren Merkmal der Erfindung ist daher vor-

von Mehrfachimpulsen geringer Ausgangsleistung 15 gesehen, daß die feststehenden Gegenreflektoren des

vollständig vermieden werden kann. Q-Schalters dielektrische Schichtspiegel sind. Vorzugs-

Der Drehspiegel kann z. B. als Polygonspiegel aus- weise werden dielektrische Schichtspiegel verwendet,

gebildet oder aus mehreren totalreflektierenden Pris- deren Zerstörungsgrenze bei einer Energiedichte von

men zusammengesetzt sein. etwa 10 MW cm"² liegt.

Als feststehende Gegenspiegel werden vorteilhaft di- 20 Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines elektrische Schichtspiegel verwendet, die nicht so Q-Schalters nach der Erfindung ist aus F i g. 2 zu entschnell wie Metallspiegel zerstört werden. nehmen. In diesem Beispiel enthält der optische Reso-

Es ist aber auch möglich, Dachkantprismen oder nator einen Rubinstab 21, mit nachfolgendem Plan-

Tripelspiegel für diesen Zweck einzusetzen. plattenresonator 22. An der gegenüberliegenden Stirn-

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nun 25 seite des Rubinstabes 21 befindet sich ein als Q-Schalter

an Hand der Zeichnung. In den F i g. 1 und 2 sind ver- dienendes Reflexionssystem, in dem das rotierende

schiedene Ausführungsbeispiele für als Q-Schalter Gebilde aus mehreren totalreflektierenden Prismen

dienende Reflexionssysteme nach der Erfindung dar- zusammengesetzt ist.

gestellt. Das rotierende würfelförmige Prismengebilde ist mit

Das System des Impulslasers besteht gemäß F i g. 1 30 23 bezeichnet. Es besteht aus 4 rechtwinkligen Prismen

im wesentlichen aus einem Rubinstab 1, einem an 24, die an ihren Längskanten so aneinander gefügt

dessen einer Stirnseite angeordneten totalreflektieren- sind, daß ihre vier totalreflektierenden Hypothenusen-

den Prisma 3 und aus einem teildurchlässigen plan- flächen ein Quadrat ergeben, das sich innerhalb des

parallelen Plattenpaar 4, das der Ausgangsseite des Prismengebildes 23 befindet.

Q-Schalters zugeordnet ist und zur Auskopplung der 35 Den drei freien Seiten des Prismengebildes 23 gegen-

Laserenergie aus dem optischen Resonator dient. über befindet sich jeweils ein feststehendes totalreflek-

Die Anregungsenergie für das stimulierbare Medium tierendes Reflexionsprisma. Die mit 25 bis 27 bezeich-

wird durch eine Gasentladungsröhre 2 geliefert, die neten Reflexionsprismen können als Dachkantprismen

z. B. wendelförmig um den Rubinstab 1 gewunden ist. ausgebildet sein.

Der Q-Schalter, der sich also im optischen Weg 40 Es ist aber auch denkbar, daß als feststehende

zwischen dem Rubinstab 1 und dem teildurchlässigen Gegenreflektoren innerhalb des Q-Schalters Tripel-

Plattenpaar 4 befindet, besteht aus einem Polygon- Spiegel Verwendung finden.

spiegel 5 mit sechs gleichen reflektierenden Außen- Die Wirkungsweise des Q-Schalters ist praktisch die

flächen 13 und weiterhin aus fünf feststehenden Gegen- gleiche wie sie bereits an Hand des Systems nach

reflektoren7 bis 11. Diese sind um den Polygon- 45 F i g. 1 erläutert worden ist. Man erhält im Falle der

spiegel 5 herum regelmäßig verteilt angeordnet, und Anordnung nach F i g. 2 auf Grund der Rotation des

zwar derart, daß jeweils zwei seiner Außenflächen 13 Prismengebildes 23 um seine Achse 28 die 8fache

einem der Gegenreflektoren optisch zugeordnet sind. Winkelgeschwindigkeit des aus dem Q-Schalter zurück-

Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung gibt die Stellung kommenden Strahls. Die Anordnung der der Anregung

des Polygonspiegels 5 im Falle des in sich geschlossenen 50 dienenden Gasentladungslampe ist in F i g. 2 der Ein-

Resonanzraumes wieder. In diesem Falle stellt die dem fachheit halber nicht eingezeichnet.

Rubinstab 1 zugeordnete Außenfläche 13 den Schalter- Die Verwendung des aus einer Anzahl Prismen

eingang dar, während die dem Plattenpaar 4 zugewen- zusammengesetzten Q-Schalters, wie er aus F i g. 2

dete Außenfläche des Polygonspiegels 5 den Schalter- beispielsweise hervorgeht, empfiehlt sich dann, wenn

ausgang bildet. 55 besonders hohe Ausgangsleistungen des Impulslasers

Wenn der Q-Schalter in Betrieb gesetzt ist, rotiert der gefordert werden, wobei Energiedichten über

Polygonspiegel 5 mit hoher Drehzahl um seine Mittel- 10 MW cm-² auftreten können,

achse 6. Die Antriebsmittel für den Polygonspiegel 5 Es ist selbstverständlich, daß die möglichen Ausbil-

sind der Einfachheit halber nicht in F i g. 1 einge- dungsweisen des erfindungsgemäßen Q-Schalters nicht

zeichnet. 60 auf die in den Zeichnungen gezeigten Beispiele be-

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-

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-

den festen Gegenspiegeln 7 bis 11 hin- und zurück- 65 bar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Einen ähnlichen Einfluß auf die Form des Impulses Patentansprüche- ^at ^e' konstanter Schaltzeit der Betrag der Über besetzung des stimulierbaren Mediums. Ab einer bestimmten Inversion des stimulierbaren Mediums neigt

1. Optischer Riesenimpulssender für kohärentes 5 nämlich ein Riesenimpulslaser bei konstanter. Schalt-Licht, dessen optischer Resonator dadurch in seiner zeit dazu, Mehrfachimpulse abzugeben. Als Folge Güte (Q) veränderbar (Q-geschaltet) ist, daß durch davon ergibt sich, daß die Laserausgangsimpulsleistung Mehrfachreflexion die Winkelgeschwindigkeit des bei konstant gehaltener Schaltzeit durch eine Erhöhung kohärenten Lichtstrahls gegenüber der mechani- der Anregungsenergie nicht vergrößert werden kann, sehen Winkelgeschwindigkeit seines Drehspiegels io wenn die Forderung besteht, daß die gesamte Leistung vervielfacht ist, dadurch gekennzeich- in Form eines einzelnen »Riesenimpulses« abgegeben net, daß der Drehspiegel (5, 23) symmetrisch um werden soll.

seine Drehachse (6, 28) η ebene Spiegelflächen auf- Unter den oben geschilderten Bedingungen macht weist, denen ein Kranz von (n — 1) feststehenden somit die angestrebte Vergrößerung der Laserausebenen Gegenspiegeln (7 bis 11 und 25 bis 27) derart 15 gangsleistung eine Verkürzung der Schaltzeit der gegenübersteht, daß an der Eingangs-Ausgangsseite Q-Schaltung erforderlich.

^v (12,14) des Resonators ein Gegenspiegel fehlt, und Die bisher bekannten Q-Schaltungen, die mit einem

daß im Augenblick der größten Güte (g-Wertes) Drehspiegel arbeiten, haben den Nachteil, daß die

des optischen Resonators die feststehenden Gegen- Winkelgeschwindigkeiten solcher optischer Bauteile

spiegel gegenüber den entsprechenden Spiegel- 20 durch die mögliche Höchstdrehzahl des zugehörigen

flächen des Drehspiegels (5) um einen Winkel von Antriebsaggregats (Elektromotor, Turbine oder dgl.)

360° . π_ . , bestimmt werden. Infolgedessen kann die Schaltzeit

2 η 'η ' nicht beliebig herabgesetzt werden, so daß im End-

2. Optischer Riesenimpulssender nach An- ergebnis der Höhe der Ausgangsimpulsleistung des spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh- 25 Lasersystems durch die maximale Drehzahl des spiegel (23) ein Polygonspiegel ist. Antriebsmotors des ß-Schalters Grenzen gesetzt sind.

3. Optischer Riesenimpulssender nach An- Es sind jedoch auch schon Q-Schaltungen bekannt, spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh- bei denen die Winkelgeschwindigkeit des kohärenten spiegel (23) aus mehreren totalreflektierenden Pris- Lichtstrahls durch Mehrfachreflexion gegenüber der men (24) zusammengesetzt ist. 3° mechanischen Winkelgeschwindigkeit des Drehspiegels

4. Optischer Riesenimpulssender nach An- vervielfacht ist. So wird in der deutschen Auslegespruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fest- schrift 1 212 636 ein mit Q-Schaltung arbeitender optistehenden Gegenspiegel (7 bis 11) aus dielektrischen scher Sender für stimulierte Strahlung beschrieben, bei Schichtspiegeln bestehen. dem der Drehspiegel mit einem festen Endspiegel

5. Optischer Riesenimpulssender nach An- 35 zusammenarbeitet, wodurch die Winkelgeschwindigspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fest- keit des Strahles, die ohne den festen Endspiegel im stehenden Gegenspiegel (25, 26, 27) Dachkantpris- gespiegelten Strahl bereits verdoppelt ist, durch die men sind. nochmalige Spiegelung erneut verdoppelt wird.

,

6. Optischer Riesenimpulssender nach An- In den »IEEE Transactions on Military Electronics«,

spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fest- 40 Januar 1964, S. 13 bis 21, ist in der F i g. 2 ebenfalls stehenden Gegenspiegel Tripelspiegel sind. 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.

45 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

■ optischen Riesenimpulssender der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Schaltzeit der g-Schaltung bei normaler Winkelgeschwindigkeit des Drehspiegels noch um ein beträchtliches Maß verkürzt ist.