DE1589738C3 - Optischer Riesemmpulssender fur kohärentes Licht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Riesenimpulssender für kohärentes Licht, dessen optischer Resonator dadurch in seiner Güte (Q) veränderbar (ß-geschaltet) ist, daß durch Mehrfachreflexion die Winkelgeschwindigkeit des kohärenten Lichtstrahles gegenüber der mechanischen Winkelgeschwindigkeit seines Drehspiegels vervielfacht ist, indem 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 (des größten Q-Wertes) des optischen Resonators die feststehenden Gegenspiegel gegenüber den entsprechenden Spiegelflächen des Drehspiegel um einen Winkel von

—=— bzw. — versetzt sind nach dem Hauptpatent

1 589 737.

Solche Schaltvorgänge werden üblicherweise als »Q-Schaltungen« bezeichnet. Sie bestehen im Prinzip darin, daß die Transmission des Resonatorinnern oder die Reflexion der Resonatorflächen mittels eines gesteuerten Lichtschalters (Kerr-Zelle) oder eines rotierenden Spiegels bzw. Prismas als Funktion der Zeit variiert werden.

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.

Einen ähnlichen Einfluß auf die Form des Impulses hat bei konstanter Schaltzeit der Betrag der Überbesetzung des stimulierbaren Mediums. Von einer bestimmten Inversion des stimulierbaren Mediums ab neigt nämlich ein Riesenimpulslaser selbst bei konstanter Schaltzeit dazu, Mehrfachimpulse abzu-. geben. Als Folge davon ergibt sich, daß die Laserausgangsleistung bei konstant gehaltener Schaltzeit durch eine Erhöhung der Anregungsenergie nicht

ίο vergrößert werden kann, wenn die Forderung besteht, daß die gesamte Leistung in Form eines einzelnen »Riesenimpulses« abgegeben werden soll.

Unter den oben geschilderten Bedingungen macht somit die angestrebte Vergrößerung der Laseraus-

»5 gangsleistung eine Verkürzung der Schaltzeit der ß-Schaltung erforderlich.

Die bisher bekannten ß-Schaltungen, die mit einem rotierenden Spiegel oder einem rotierenden Dachkantprisma arbeiten, haben nun den Nachteil, daß

ao die Rotationsgeschwindigkeiten solcher optischen Bauteile durch die mögliche Höchstdrehzahl des zugehörigen mechanischen Antriebsaggregats (z. B. Elektromotors) bestimmt werden. Infolgedessen kann die Schaitzeit nicht beliebig herabgesetzt werden, so daß im Endergebnis der Höhe der Ausgangsleistung des Lasersystems durch die maximale Drehzahl des Antriebsmotors des ß-Schalters Grenzen gesetzt sind.

Es sind auch schon Q-Schaltungen bekannt, 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 ß-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 den »IEEE Transactions on Military Electronics«, Januar 1964, S. 13 bis 21, ist in der Fig. 2 ebenfalls eine ß-Schaltung dargestellt, bei der ein Drehspiegel mit einem fest angeordneten Reflektor zusammenwirkt und dadurch eine Verdoppelung der Winkelgeschwindigkeit des gespiegelten Strahls erreicht wird.

Bei der Anordnung nach dem Hauptpatent 1 589 737 ist es ferner bekannt, daß innerhalb des optischen Resonators zur Verkürzung der Schaltzeit ein als Q-Schalter dienendes Reflexionssystem vorgesehen ist, das aus einem rotierenden Gebilde mit einer geeigneten Anzahl η gleicher, reflektierender Flächen und aus einer Anzahl (« — 1) feststehender Gegenreflektoren besteht, die um das rotierende Gebilde herum in der Weise angeordnet sind, daß jeweils zwei seiner reflektierenden Flächen einem Gegenreflektor optisch zugeordnet sind.

Durch dieses Reflexionssystem wird nämlich der aus dem stimulierbaren Medium heraustretende und in das Reflexionssystem eintretende Strahl mehrfach in der Rotationsrichtung des rotierenden Gebildes zwischen dessen reflektierenden Flächen und den entsprechenden Gegenreflektoren hin- und zurückgeworfen, so daß jede der η reflektierenden Flächen die Winkelgeschwindigkeit des Strahls um den Betrag 2 co vermehrt, wenn ω die Winkelgeschwindig-

keit bedeutet, mit der sich das rotierende Gebilde um seine Drehachse bewegt.

Der aus dem Reflexionssystem schließlich heraustretende Strahl besitzt infolgedessen eine um den Faktor 2 η vergrößerte Winkelgeschwindigkeit.

Da die Schaltzeit des Q-Schalters umgekehrt proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist, erhält man vorteilhafterweise eine entsprechend kurze Schaltzeit, ohne daß die Drehzahl des rotierenden Teils des Q-Schalters über den Normalwert hinaus erhöht zu werden braucht.

Die erzielte erhebliche Verkürzung der Schaltzeit des Q-Schalters führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Sendeleistung des Impulslasers, da das Auftreten von Mehrfachimpulsen geringer Ausgangsleistung vollständig vermieden werden kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine für den Anwendungsfall in Laser-Entfernungsmeßgeräten besonders günstige Ausbildungsweise eines Q-Schalters.

Ausgehend von der den Gegenstand des Hauptpatentes bildenden Anordnung besteht die zusätzliche Erfindung darin, daß der Drehspiegel von einem gleichseitigen Dreieck-Prisma mit 60°-Innenwinkeln gebildet ist und so angeordnet ist, daß die in das Dreieck-Prisma eintretenden Strahlen jeweils an der Innenfläche der der Lichteintritts- und -austrittsseite gegenüberliegenden dritten Prismenseite total reflektiert werden.

Die Herstellung eines derartigen Dreieckprismas ist ohne Schwierigkeiten durchführbar, da es ein relativ einfaches System darstellt. Außerdem ist es möglich, ein solches Dreieckprisma in beliebig kleinen Abmessungen zu erhalten, was vor allen Dingen für die Kombination mit einem Rubinlaser, dessen Duchmesser in der Größenordnung von z. B. 6 mm liegt, von wesentlicher Bedeutung ist. So ist es beispielsweise möglich, dafür mühelos ein Dreieckprisma mit einer Grundseite von 12 mm herzustellen. Infolge der geringen Abmessungen des Dreieckprismas ergibt sich ein entsprechend kleines Massenträgheitsmoment, so daß die Drehzahl des Antriebsmotors voll ausgenutzt werden kann.

Über die Verwendung des erwähnten Dreieckprismas innerhalb eines als Q-Schalters dienenden Reflexionssystems gibt nun die Zeichnung näheren Aufschluß. In dieser Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt.

Das System des Impulslasers besteht im wesentlichen aus einem Rubinstab 1, einem an dessen einer Stirnseite angeordneten totalreflektierenden Prisma 3 und aus einem teildurchlässigen planparallelen Plattenpaar 4, das der Ausgangsseite des Q-Schalters zugeordnet ist und zur Auskopplung der Laserenergie aus dem optischen Resonator dient.

Die Anregungsenergie für das stimulierbare Medium wird durch eine Gasentladungslampe 2 geliefert, die wendelförmig um den Rubinstab 1 als stimulierbarem Medium gewunden ist.

Der Q-Schalter, der sich also im optischen Weg zwischen dem Rubinstab 1 und dem teildurchlässigen Plattenpaar 4 befindet, besteht aus einem Dreieckprisma 15 mit drei Innenwinkeln <x von jeweils 60° und weiterhin aus zwei feststehenden Gegenreflektoren 17 und 18, die parallel zu zwei Außenseiten des Dreieckprismas 15 angeordnet sind.

Die Anordnung des Dreieckprismas 15 in bezug auf die eine Stirnseite des Rubinstabes 1 und auf die

ίο festen Gegenreflektoren 17 und 18 ist nun so gewählt, daß die in das Dreieckprisma 15 eintretenden Strahlen jeweils mit einem über das Grenzwinkel der Totalreflexion liegenden Winkel auf seine drei Innenflächen auftreffen, wie ohne weiteres aus der Zeichnung ersichtlich ist. Infolgedessen entsteht jeweils eine Totalreflexion des eintretenden Strahles auf den Innenflächen des Dreieckprismas 15.

Weiterhin ist in der Zeichnung zu erkennen, daß jeweils zwei der Innenflächen des Dreieckprismas, an

ao denen Totalreflexion auftritt, einem der Gegenreflektoren 17 bzw. 18 optisch zugeordnet sind.

Die in der Zeichnung gezeigte Anordnung gibt die Stellung des Dreieckprismas 15 im Falle des in sich geschlosesnen Resonanzraumes wieder.

In diesem Fall stellt die dem Rubinstab 1 zugeordnete Innenfläche des Dreieckprismas 15 den Schaltereingang dar, während die dem Plattenpaar 4 zugeordnete Innenfläche den Schalterausgang bildet.

Wenn der Q-Schalter in Betrieb gesetzt ist, rotiert das Dreieckprisma 15 mit hoher Drehzahl um seine Mittelachse 16. Die Antriebsmittel für das Dreieckprisma 15 sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet.

Der aus dem Rubinstab nach Zündung der Gasentladungslampe 2 heraustretende Strahl 12 gelangt in das Reflexionssystem des Q-Schalters und tritt hier in das Innere des mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotierende Dreieckprisma 15 ein. Nach mehrmaliger Reflexion zwischen den Innenflächen des Dreieckprismas 15 und den festen Gegenspiegeln 17 und 18 tritt der Strahl schließlich mit 6facher Winkelgeschwindigkeit wieder am Ausgang des Q-Schalters in Erscheinung.

Infolge der erhöhten Winkelgeschwindigkeit des aus dem Q-Schalter austretenden Strahls 14 ist aber nun gewährleistet, daß nur während einer extrem kurzen Zeit die Rückkopplungsbedingung erfüllt ist und die gesamte Laser-Ausgangsleistung in Form eines einzigen »Riesenimpulses« ausgesendet werden kann.

Da die Energiedichte in einem Q-geschalteten Riesenimpulslaser ziemlich hoch ist, so daß Metallspiegel leicht beschädigt werden können, sind — wie bei der Anordnung gemäß dem Hauptpatent — die feststehenden Gegenreflektoren innerhalb des Q-Schalters dielektrische Schichtspiegel, vorzugsweise solche, deren Zerstörungsgrenze bei einer Energiedichte von etwa 10 MW/cm² liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Optischer Riesenimpulssender für kohärentes Licht, dessen optischer Resonator dadurch in seiner Güte (Q) veränderbar (Q-geschaltet) ist, daß durch Mehrfach reflexion die Winkelgeschwindigkeit des kohärenten Lichtstrahles gegenüber der mechanischen Winkelgeschwindigkeit seines Drehspiegels vervielfacht ist, indem 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 (des größten Ö-Wertes) des optischen Resonators die feststehenden Gegenspiegel gegenüber den entsprechenden Spiegelflächen des Drehspiegels um einen

   Winkel von -z— bzw. — versetzt sind nach dem 2 η η

   Hauptpatent 1 589 737, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel von einem gleichseitigen Dreieck-Prisma (15) mit 60°-Innenwinkeln gebildet ist und so angeordnet ist, daß die in das Dreieck-Prisma eintretenden Strahlen (12) jeweils an der Innenfläche der der Lichteintritts- und -austrittsseite gegenüberliegenden dritten Prismenseite total reflektiert werden.