DE1589931A1

DE1589931A1 - Optical transmitter for phase coherent radiation

Info

Publication number: DE1589931A1
Application number: DE19671589931
Authority: DE
Inventors: Hora Dr Heinrich; Maischberger Dipl-Ing Karl
Original assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Current assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Priority date: 1967-03-11
Filing date: 1967-03-11
Publication date: 1970-06-04
Also published as: NL6800188A; BE707129A; LU54875A1

Description

Optischer Sender für phasenkohärente Strahlung. Die Erfindung betrifft einen optischen Sender für phasenkohärente Strahlung mit einem durch optische Strahlung Überbesetzt anregbaren und im wesentlichen parallel zu einer Achse stimuliert emittierenden, insbesondere festen Medium, das in einem von zwei Reflektoranordnungen begrenzten optischen Resonator angeordnet ist. Optical transmitter for phase-coherent radiation. The invention relates to an optical transmitter for phase-coherent radiation with an overpopulated by optical radiation excitable and emitting, in particular solid, medium which is stimulated essentially parallel to an axis and which is arranged in an optical resonator delimited by two reflector arrangements.

Unter der Bezeichnung "Laserm sind optische Sender der oben angegebenen Art bekannt, die als stimulierbares Medium einen Stab aus synthetischem Rubin, Neodymglas oder dergleichen enthalten. Das stabförmige, stimulierbare Medium ist in einer Brennlinie eines Spiegels, der die Form eines elliptischen Zylinders hat, angeordnet, in dessen anderer Brennlinie sich eine längliche Xenonlampe befindet.Under the designation "Laserm" optical transmitters are those indicated above Art known that as a stimulable medium a rod made of synthetic ruby, neodymium glass or the like. The rod-shaped, stimulable medium is in a focal line a mirror, which has the shape of an elliptical cylinder, arranged in its the other focal line is an elongated xenon lamp.

Bei der oben beschriebenen Anordnung tritt die anregende Strahlung in der Hauptsache radial in das stimulierbare Medium ein, so daß'sich eine unsymmetrische Strahlungsdichte im stimulierbaren Medium ergibt, und zwar ist die Dichte der anregenden Strahlung in den achenahen Bereichen größer als in den umfangenahen Bereichen den Querschnittes den stimulierbaren Mediums. Da die Dichte der überbesetzten Zustände der Dichte der anregenden Strahlung etwa proportional ist, ist auch die Dichte der überbesetzten Zustände in den achsnahen Bereichen größer als in den umfangsnahen Bereichen.With the arrangement described above, the exciting radiation occurs mainly radially into the stimulable medium, so that it is an asymmetrical one Radiation density in the stimulable medium results, namely the density of the stimulating Radiation in the areas close to the ache is greater than in the areas close to the periphery Cross section of the stimulable medium. Because the density of overstaffed states the density of the stimulating radiation is proportional is also the density of overstaffed states in the near-axis areas is greater than in the areas close to the perimeter.

Die ungleichmäßige Verteilung der überbesetzten Zustände auf den Querschnitt des stimulierbaren Mediums hat in der Praxis einige sehr unerwUnschte Folgen: Erstens wird der Schwellwert für die stimulierte Emission in den achsnahen Bereichen eher erreicht als in den umfangsnahen Bereichen und das stimulierbare Medium wird dadurch nicht optimal ausgenutzt. Bei optischen Sendern, die mit sehr hohen Impulsleistungen betrieben werden (sog. "Riesenimpuls-Lasern"), besteht außerdem die Gefahr einer Überbelastung und Zerstörung des stimulierbaren Mediums In den bevorzugt angeregten Querschnittsbereichen.The uneven distribution of the overcrowded conditions on the cross-section of the stimulable medium has some very undesirable consequences in practice: First the threshold value for the stimulated emission becomes closer to the axis than in the areas close to the circumference and the stimulable medium is thereby achieved not optimally used. With optical transmitters, those with very high pulse powers are operated (so-called. "Giant pulse lasers"), there is also the risk of Overloading and destruction of the stimulable medium In the preferentially stimulated Cross-sectional areas.

Die obigen Nachteile sind besonders gravierend bei optischen Sendern, die einen passiven Gütegehalter enthalten. Ein passiver Güteschalter besteht gewöhnlich aus einem Medium, dessen Absorptionskoeffizient für die stimuliert emittierte Strahlung eine inverse Funktion der Strahlungsdichte ist. Bei relativ schwacher Strahlung verhindert der Güteschalter eine stimulierte Emission und einen nennenswerten Abbau der überbesetzt angeregten Zustände und erst wenn die Dichte dieser Zustände einen relativ hohen Wert erreicht hat, verliert'der Güteschalter seine Absorptionsfähigkeit, wobei dann ein rascher Abbau der überbesetzten Zustände eintritt und ein Strahlungsimpuls sehr hoher Leistung emittiert wird. Bei ungleichmäßiger Überbesetzung wird aber der Schwellwert des Güteschalters an bestimmten Stellen eher Überschritten als an anderen, so daß der Strahlungsimpuls schon bei einem unerwünscht niedrigen Absolutwert der Anzahl der im ganzen stimulierbaren Medium überbesetzt angeregten Zustände emittiert wird und dann einen entsprechend geringen Energieinhalt hat.The above disadvantages are particularly serious with optical transmitters, that contain a passive quality holder. A passive Q-switch usually exists from a medium whose absorption coefficient for the stimulated emitted radiation is an inverse function of radiation density. With relatively weak radiation the Q-switch prevents stimulated emission and significant degradation the overcrowded excited states and only when the density of these states one has reached a relatively high value, the Q-switch loses its absorption capacity, whereupon the overcrowded states are rapidly reduced and a radiation pulse occurs very high power is emitted. In the event of uneven overstaffing, however, the threshold value of the Q-switch is exceeded at certain points rather than on others, so that the radiation pulse is already at an undesirably low absolute value the number of overpopulated excited states emitted in the whole stimulable medium and then has a correspondingly low energy content.

Bei ungleichmäßiger Anregung und Emission des stimulierbaren Mediums ist außerdem die Winkeldivergenz der emittierten Strahlung größer als bei gleichmäßigerer Anregung und Emission, was ebenfalls fUr viele Anwendungszwecke nachteilig ist.In the case of uneven excitation and emission of the stimulable medium, the angular divergence of the emitted radiation is also greater than in the case of more uniform excitation and emission, which is also disadvantageous for many applications.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.The invention is based on the object of avoiding these disadvantages.

Dies wird bei einem optischen Sender für phasenkohärente Strahlung mit einem durch optische Strahlung überbesetzt anregbaren und im wesentlichen parallel zu einer Achse stimuliert emittierenden, insbesondere festen Medium, das in einem von zwei Reflektoranordnungen begrenzten optischen Resonator angeordnet ist, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß mindestens die eine Reflektoranordnung so ausgebildet ist, daß die achsenparallel einfallende Strahlung in einer zur Achse senkrechten Richtung versetzt reflektiert wird.This is the case with an optical transmitter for phase coherent radiation with an overpopulated by optical radiation excitable and essentially parallel to an axis stimulated emitting, in particular solid medium that is in a is arranged by two reflector arrangements limited optical resonator, according to the invention achieved in that at least one reflector arrangement is formed is that the axis-parallel incident radiation in a perpendicular to the axis Direction is reflected offset.

Ein optischer Sender für phasenkohärente Strahlung enthält gewöhnlich eine vollständig und eine teilweise reflektierende Reflektoranordnung. Vorzugsweise wird die vollständig reflektierende Reflektoranordnung in der oben angegebenen Weise ausgebildet.An optical transmitter for phase coherent radiation usually contains a fully and a partially reflective reflector assembly. Preferably becomes the fully reflective reflector assembly in the manner indicated above educated.

Die Reflektoranordnung oder -anordnungen können Winkelspiegel oder Tripelspiegel enthalten.The reflector arrangement or arrangements can be corner mirrors or Triple mirror included.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teiles eines optischeh Sendern mit einer Reflektoranordnung gemäß der Erfindung und Fig. 2, 3 und 4 eine Reflektoranordnung gemäß anderen Ausführungsformen dt. Erfindung, die bei einem optischen Sender der In Fig. 1 dargestellten Art verwendet werden können.The invention will in the following by means of embodiments illustrated in more detail, there show:... A schematic illustration of the invention and Figure 1 shows a part of a optischeh transmitters with a reflector assembly according to 2, 3 and 4, a reflector assembly according to other embodiments dt invention which is applied an optical transmitter of the type shown in Fig. 1 can be used.

Der in Fig. 1 nur teilweise und vereinfacht dargestellte optische Sender enthält als stimulierbares Medium einen Stab 1 aus Rubin, Neodymglas oder dergleichen, der durch eine nicht dargestellte Strahlungequelle, z.B. eine .Xenonlampe, optisch anregbar ist. Die anregende Strahlung ist durch Pfeile 2 angedeutet, sie fällt von allen Seiten etwa radial in den Stab 1 ein. Das stimulierbare Medium und die Strahlungsquelle können hierbei in bekannter Weise in den Brennlinien eines Spiegels, der die Form eines elliptischen Zylinders hat, angeordnet sein.The optical transmitter, shown only partially and in simplified form in FIG. 1, contains, as a stimulable medium, a rod 1 made of ruby, neodymium glass or the like, which can be optically excited by a radiation source (not shown), for example a xenon lamp. The stimulating radiation is indicated by arrows 2; it falls approximately radially into the rod 1 from all sides. The stimulable medium and the radiation source can be arranged in a known manner in the focal lines of a mirror which has the shape of an elliptical cylinder.

Das stimulierbare Medium Ist in einem optischen Resonator angeordnet, der aus einem teildurchlässigen Spiegel 3 und einer vollständig reflektierenden Reflektoranordnung 4 besteht, auf die noch näher eingegangen wird. Zwischen dem einen Ende des Stabes 1 und der Reflektoranordnung 4 befindet sich ein passiver Güteschalter 5, der in bekannter Weise ausgebildet sein kann.The stimulable medium is arranged in an optical resonator which consists of a partially transparent mirror 3 and a fully reflective reflector arrangement 4, which will be discussed in more detail below. Between one end of the rod 1 and the reflector arrangement 4 there is a passive Q-switch 5, which can be designed in a known manner.

Im Betrieb wird das stimulierbare Medium 1 durch die von allen Seiten radial einfallende Strahlung 2 überbesetzt angeregt. Da die anregende Strahlung radial in den Stab 1 eintritt und die Absorptionskonstante verhältnismäßig klein ist, ist die Strahlungsdichte in dem der Achse 6 benachbarten, in Fig. 1 kreuzschraffiert dargestellten Bereich 7 des stimulierbaren Mediums stärker als in dem hohlzylinderförmigen Umfangsbereg. ; 8. Wenn die Reflektoranordnung 4 wie bei den bekannten optischen Sendern als ebener Spiegel ausgebildet wäre, würden der Schwellwert der stimulierten Emission im Stab 1 und der Schwellwert des passiven Güteschalters 5 im achsnahen Bereich eher erreicht werden als im Umfangsbereich und es wÜrde ein Strahlungsimpuls erzeugt und durch den teildurchlässigen Spiegel 3 emittiert, der nicht den maximal möglichen Energieinhalt hat. Um diesen Mangel zu vermeiden, besteht die vollständig reflektierende Reflektoranordnung 4 nicht wie bisher aus einem ebenen Spiegel, sondern aus einer Art Umlenkprisma 9, das zur Achse 6 rotationssymmetrisch ist. Das Prisma 9 hat eine im wesentlichen ebene Vorderseite 10, durch die die stimulierte Strahlung ein- und austritt, sowie eine reflektierende Rückseite 11 mit einer kreisbogenförmigen Kante 12, an der sich eine kegelstumpfförmige Außenfläche 13 und eine kegelförmige Innenfläche 14, deren Scheitel auf der Achse 6 liegt, unter einem Winkel von 900 treffen, Die Flächen 13, 14 können erforderlichenfalls mit einem spiegelnden Belag versehen sein.During operation, the stimulable medium 1 is overpopulated by the radiation 2 incident radially from all sides. Since the stimulating radiation enters the rod 1 radially and the absorption constant is relatively small, the radiation density in the region 7 of the stimulable medium adjacent to the axis 6 , shown in cross-hatched fashion in FIG. 1, is stronger than in the hollow cylindrical circumferential mountain. ; 8. If the reflector arrangement 4 were designed as a flat mirror as in the known optical transmitters, the threshold value of the stimulated emission in the rod 1 and the threshold value of the passive Q-switch 5 would be reached sooner in the area near the axis than in the circumferential area and a radiation pulse would be generated and emitted by the partially transparent mirror 3 , which does not have the maximum possible energy content. In order to avoid this deficiency, the completely reflective reflector arrangement 4 does not consist of a flat mirror as before, but of a type of deflecting prism 9 which is rotationally symmetrical to the axis 6. The prism 9 has an essentially flat front side 10 through which the stimulated radiation enters and exits, and a reflective rear side 11 with an arcuate edge 12 on which a frustoconical outer surface 13 and a conical inner surface 14, the apex of which is on the axis 6 is, meet at an angle of 900 , the surfaces 13, 14 can be provided with a reflective coating if necessary.

Wie leicht einzusehen ist, bewirkt die Reflektoranordnung 4, daß die aus dem mittleren Bereich 7 des Stabes 1 austretende Strahlung (vgl. Strahl 15) in den Umfangsbereich 8 des Stabes reflektiert 4rd, während die aus dem Umfangsbereich 8 austretende Strahlung (vgl. Strahl 16) in den achsnahen Bereich 7 reflektiert wird. Auf diese Weise werden die Dichte der emittierten Strahlung sowie die Schwellwerte in den verschiedenen Querschnittsbereichen des stimulierbaren Mediums und des Güteschalters 5 vergleichmäßigt und es wird praktisch der ganze Querschnitt des Stabes 1 gleichmäßig zur Emission herangezogen. Dies gestattet nicht nur größere Impulsenergien zu erreichen, sondern bringt auch eine erhebliche Lebensdauererhöhung des stimulierbaren Mediums und eine Verringerung der Strahldivergenz mit sich. Geometrische Überlegungen zeigen, daß die Resonanzbedingung im optischen Resonator 3, 4 auch mit einem Umlenkprisma 9 der dargestellten Art erfUllt werden kann.As can be easily seen, the reflector arrangement 4 has the effect that the radiation emerging from the central region 7 of the rod 1 (see beam 15) is reflected into the circumferential region 8 of the rod, while the radiation emerging from the circumferential region 8 (see beam 16 ) is reflected in the near-axis area 7. In this way, the density of the emitted radiation and the threshold values in the various cross-sectional areas of the stimulable medium and of the Q-switch 5 are evened out and practically the entire cross-section of the rod 1 is used uniformly for emission. This not only makes it possible to achieve greater pulse energies, but also brings about a considerable increase in the service life of the stimulable medium and a reduction in the beam divergence. Geometric considerations show that the resonance condition in the optical resonator 3, 4 can also be met with a deflecting prism 9 of the type shown.

Fig. 2 zeigt eine Reflektoranordnung 4t, die anstelle der Reflektoranordnung 4 in einem optischen Sender der in Fig. 1 dargestellten Art verwendet werden kann. Die Reflektoranordnung 41 ist ebenfalls zur Achse 6 rotationssymnetrisch, ihre Rückseite weist jedoch zwei ringförmige Kanten 12'. 12u auf, an denen sich jeweils Kegelmantelflächen unter einem Winkel von 90 0 treffen. Mit einer solchen Reflektoranordnung lassen sich speziellere Korrekturen der Intensitätsverteilung ausführen.Fig. 2 shows a reflector arrangement 4t, instead of the reflector assembly 4 optical in a transmitter of the type shown in Fig. 1 may be used. The reflector arrangement 41 is also rotationally symmetrical to the axis 6 , but its rear side has two annular edges 12 '. 12u, at each of which conical surfaces meet at an angle of 90 °. With such a reflector arrangement, more specific corrections of the intensity distribution can be carried out.

Zur Kompensation etwaiger Abweichungen der Form der reflektierenden Flächen der Reflektoranordnungen 4, 4t von der theoretisch zu fordernden Form kann eine Korrekturplatte 17 vorgesehen sein, die mittels eines bekannten Verfahrens hergestellt werden kann, das in der britischen Patentschrift 1 021 839 beschrieben ist. Anstatt eine getrennte Konekturplatte 17 zu verwenden, kann die erwähnte Korrektur auch an der Fläche 10 durchgeführt werden. Fig. 3 zeigt eine Stirnansicht einer weiteren Reflektoranordnung 41t, die die Form eines bekannten Tripel-Spiegels "Katzenauge") hat. Da ein solcher Tripel-Spiegel jedoch die einfallenden Strahlen nicht radial nach außen versetzt, sondern etwa im gleichen radialen Abstand von der Achse 6 wieder austreten läßt, wird ein solcher Tripel-Spiegel jedoch vorzugsweise nur in Fällen verwendet, wo kleinere Inhomogenitäten oder dgl. kompensiert werden sollen.Possible to compensate deviations of the shape of the reflecting surfaces of the reflector assemblies 4, 4t of the theoretically demanding form of a correction plate 17 may be provided, which can be produced by a known method described in British Patent 1,021,839. Instead of using a separate correction plate 17 , the aforementioned correction can also be carried out on the surface 10. 3 shows a front view of a further reflector arrangement 41t which has the shape of a known triple mirror ("cat's eye"). However, since such a triple mirror does not offset the incident rays radially outwards, but allows them to exit again at approximately the same radial distance from the axis 6 , such a triple mirror is preferably only used in cases where minor inhomogeneities or the like are compensated for should be.

Die Reflektor'anordnung braucht auch nicht einstückig zu sein. So kann beispielsweise, wie in Fig. 4 dargestellt ist, vor einer konkaven Spiegelanordnung gi, die den Umlenkprisma 9 in Fig. 1 entspricht, ein weiteres Umlenkprisma 20 angeordnet sein, das zur Erfüllung der Resonanzbedingung getrennt einjustierbar ist. Selbstverständlich können auch mehrere solcher zusätzlicher Prismen verwendet werden. An die Stelle der reflektierenden Prismen können selbstverständlich auch entsprechende an der Oberfläche reflektierende konkave Spiegelanordnungen treten und umgekehrt. 1. Optischer Sender für phasenkohärente Strahlung mit einem durch optische Strahlung überbesetzt anregbaren und im wesentlichen parallel zu einer Achse stimuliert emittierenden, insbesondere festen Medium, das in einem von zwei Reflektoranordnungen begrenzten optischen Resonator angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens die eine Reflektoranordnung (4, V, 4") so ausgebildet ist, daß parallel zur Achse (6) einfallende Strahlung in einer zur Achse senkrechten Richtung versetzt reflektiert wird.The reflector arrangement also does not need to be in one piece. For example, as shown in FIG. 4, in front of a concave mirror arrangement gi, which corresponds to the deflecting prism 9 in FIG. 1 , a further deflecting prism 20 can be arranged, which can be adjusted separately to meet the resonance condition. Of course, several such additional prisms can also be used. Corresponding concave mirror arrangements reflecting on the surface can of course also be substituted for the reflecting prisms, and vice versa. 1. An optical transmitter for phase-coherent radiation with an over-staffed by optical radiation stimulable and substantially to an axis stimulated parallel emitting, in particular solid medium is disposed in a limited by two reflector arrangements optical resonator, d a d u rch g e k ennzeichnet that at least one reflector arrangement (4, V, 4 ") is designed in such a way that radiation incident parallel to the axis (6) is reflected offset in a direction perpendicular to the axis.

2.) Optischer Sender nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Reflektoranordnung (4) mindestens ein Umlenkprisma (9) enthält, das zur Achse (6) rotationssymmetrisch ist und auf der hinteren, reflektierenden Fläche (11) mindestens eine dachartige, kreisringförmige Kante (12) aufweist, an der sich zwei Kegelflächen (13, 14) unter einem Winkel von 900 treffen.2.) The optical transmitter of claim 1, d a d u rch g e k ennzeichnet in that the reflector arrangement (4) comprises at least one deviating prism (9), which is rotationally symmetrical to the axis (6) and on the rear reflective surface (11) has at least one roof-like, annular edge (12) on which two conical surfaces (13, 14) meet at an angle of 900.

_3.) Optischer Sender nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kegelflächen (13, 14) in einem Winkel von 450 zur Achse (6) verlaufen._3.) The optical transmitter of claim 2, d a d g e k urch ennzeichnet that the conical surfaces (13, 14 extend) at an angle of 450 to the axis (6).

4.) Optischer Sender nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Reflektoranordnung ein Umlenkprisma (V) enthält, das mindestens ein Tripel reflektierender Flächen enthält, die sich in einem Punkt unter rechten Winkeln schneiden (Fig. 3). 4.) An optical transmitter according to claim 1, d a d u rch g e k ennzeichnet that the reflector arrangement comprises a deflection prism (V), containing at least one triple reflective surfaces extending in a point at right angles intersect (Fig. 3).

5.) Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i a h n e t , daß die reflektierenden Flächen (13, 14) mit einem spiegelnden Belag versehen sind. 5.) The optical transmitter of the preceding claims, d a d g e k urch ennzei a HNET that the reflecting surfaces (13, are provided with a reflective coating 14) according to any one.

6.) Optischer Sender nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i eh n e t , daß die Reflektoranordnung mindestens einen zur Achse (6) rotationssymmetrischen Oberflächenspiegel (91) enthält, der mindestens zwei sich unter 6.) An optical transmitter according to claim 1, d a d g e k urch ennzei eh net, that the reflector arrangement comprises at least one rotationally symmetrical to the axis (6) surface mirror (91) having at least two mutually

Claims

P atentans p r U c he at an angle of 90a - has conical surfaces which form a concave groove towards the stimulable medium (1) (FIG. 4). 7.) Optical transmitter according to claim 1, d a d urch g e k ennzei c hnet 4aß the reflector arrangement at least one Konkavspiegel.enthalt., Whose reflective surface is from at least one triple of flat Spiegeln.be-0, which are at angles of Cut 90 and form a recess that is concave to the stimulable medium (1) and has the shape of a cube corner.