DE1614612A1 - Optischer Molekularverstaerker - Google Patents

Description

• Optischer Molekularverstärker ----------------------------- Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Molekularverstärker zur .Erzeugung von Impulsen hoher :Leistung (Riesenimpulalaer), bestehend aus einem aktiven Material in Stabiorn, insbesondere f estkörpermaterial, beispielsweise Rubin, das mit seiner Stabaehse in der Achse eines aus zwei Reflektoren gebildeten optischen Resonators angeorane-t ist, einen den optischen Resonator im geöffneten Zustand sperrenden optischen Schalter und einer Pumpanordnung. Bei optischen Molekularverutärkern dieser Art wird mit Hilfe des erwähnten optischen Schalters angestrebt, die gesamte im aktiven Material durch Inversion von Energieniveaus gespeicherte Energie in Form eines Riesenimpulsen in Zaser-Strahlung umzusetzen. Der optische Schalter hat dabei die Aufgabe, den optischen Resonator solange zu sperren, bis das aktive 1,iaterial durch die ständige Pumpenergiezufuhr zu ausreichend hohen Inveruionsverten gepumpt ist.'Anschließcnd gibt der optische Schalter durch Schließen den Resonator zur Abgabe der gespeicherten Energie in Form eines sehr kurzzeitigen Laserlichtblitzes frei. Als optische Schalter eigacn sich sättigbare Absorber, die @ei Anwachsen der Inversion bei einer: bestimmten Wert in Sättigung übergehen. Beim Riesenimpulslaser wird der Impulsanstieg umso steiler, je größer die Spiegelreflexion ist. Der Impulsabfall wird dagegen mit wachsender Spiegelreflexion flacher. Um einen sehr kurzen Impuls zu erhalten, ist es daher angebracht, die Reflexion der den optischen Resonator bildenden Reflektoren umschaltbar in der Weise zu gestalten, daß <<nährend des Impulsanstiegs der Reflexionsfaktor wenigstens annähernd Eins ist und nach Erreichen der Impulsspitze einen vernachlässigbar kleinen Wert annimmt. Diese Forderung kann beispielsweiue dadurch verwirklicht werden, daß als optischer Schalter eine Kernzelle in Verbindung mit einer Polarisationsweiche verwendet wird, mit deren Hilfe eine zweimalige Umschaltung der -Resonatorgütc .möglich ist.. Die Schwierigkeit, die bei dieser Anordnung auftritt, liegt darin, einen genau definierten Steuerimpuls von einigen nsec Dauer bei 20 bis 30 kV Spitzenspannung zu erzeugen.
• Eine weitere, diese Schwierigkeit verringernde bekannte Ausführung eines Riesenimpulslasers zeigt das. Blockschaltbild der Fig. 1. Der optische Resonator besteht hier aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln S1 und S2, zwischen denen das stabförmigeaktive Material VI in Reihe mit einem aus einer Kerrzelle K und einer Polarisationsweiche P bestehenden Kerrzellenschalter und einem Absorptionsschalter A angeordnet ist. Der Spiegel S2 auf Seiten des Absorptionsschalters A hat eine geringe Durchlässigkeit, was in der Fig1 durch den über den Spiegel S2 hinausgeführten Pfeil angedeutet ist. Durch die gleichzeitige Verwendung eines Kerrzellenachalters und eines Absorptionsschalters A ist es lediglich erforderlich, den Kerrzellenschalter für die Abgabe eine Laserimpulses einmal zu schalten. Lunchst ist der Kerrzellenschalter geöffnet. Der Absorptionsschalter A sperrt den Resonator für die Ausbildung einer stimulierten Emission durch sein ' Absorptionsverhalten. Bei hohen Inversionsvrerten des gepumpten aktiven Materials geht der Absorptionsschalter in die Sättigung über-und bestimmt damit den Impulsanstieg der Strahlung. Im Zeitpunkt der Impulsspitze wird der Kerrzellenschalter gesc4lossen und koppelt damit über die Polarisationsweichd P den Impuls aus dem Resonator aus. In Pig. 1 kommt dies durch den senkrecht zur Resonatorachse ausgerichteten Mehrfachpfeil im Bereich der Polarisationsweiche P zum Ausdruck. Die Steuerspannung für den Kerrzellenschalter wird in einfacher Weise über einen Potoempfänger Pe gewonnen, der bei einer vorgegebenen Energie der, über den in geringere Umfang durchlässigen Spiegel S austretenden Lichtstrahls den gewünschten Steuerin.puls an die Elektrodenanschlüsse x1 und x2 der Kerrzelle K abgibt.
• Der Kerrzellenschalter stellt zusammen mit seiner Steuereinrichtung einen recht erheblichen Aufwand dar, zumal die erforderlichen Steuerspannungen sehr hohe Werte annehmen müssen, um die gewünschte Schalterwirkung zu orten. Ferner bedingt die Anordnung der Kerrzelle K und der Polarisationsweiche P im Bereich des von den beiden Spiegeln S1 und S2 gebildeten Resonators unerwünschte Verluste.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Riesenimpulslaser der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die bei Gewährleistung von Lichtimpulsen mit sehr steiler Anstiegs- und Abfallflanke mit einem wesentlich geringeren technischen Aufwand auskommt.

  " Ausgehend von einem optischen Molekularverstärker zur Br-

  zeugung von. Impulsen hoher Leistung (Riegenimpulslaser),

  bestehend aus einet aktiven Material in Stabform, ins-be-

  sondere ltestkäirpermaterial, beispielsweise Rubin, das mit

  adiner Stabachse in der Achse- eines: aus zwei Reflektoren

  gebildeten optischen Resonatorc angeordnet ist, einen denn

  optuhen llesonator im geöffneten Zustand sperrenden opti-

  ächen.Schalter und, einer fumpanordnung, wird diese Aufgabe

  gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der eine für c. e

  Auskopplung der impulfärmigen stimulierten Strahlung aus

  dem optiw:chen Resonator mit verwendete Reflektor (32i)

  (Auskoppelreflektor) für- eine- bei hoher Energiedichte der

  stimulierten Strahlune. mit wachsender Energiedichte stark

  zunehmende Durchläazigkeit ausgebildet ist.

  Die Lichtleistung von Riesenimpulsen kann sehr hohe Werte

  annehmen.. Bei Kri tallasern erreicht sie.vielQ_ MS'r/cm..

  Energiedichten dieser Größenordnung hält auf die Dauer kein

  Spiegel auo. Es ist also mit anderen Worten: bei Anordnungen

  dieser Art erforderlich, bereit; nach vtenigen abgegebenen

  Impulsen die Spiegel auszuwechseln. Ist einer der beiden

  Spiegel zusätzlich zur Auskopplung des laserlichtes aus

  dem Resonätor mitverrrendet, so ist dieser Spiegel der

  Gefahr der Zerstörung besonders ausgesetzt.

  Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß dieser in jedem Falle vorhandenen -Zeretörungseffekt in außerordentlich vorteilhafter Weise durch geeignete Bemessung des für die Auskopplung des Impulses mit vertiendeten Spiegels zur Umschaltung des Reflexionsfaktors im Zeitbereich der Impulsspitze mit ausgenutzt werden kann. Eine besonders günstige Ausführungsform für einen solchen Auskoppelreflektor sieht eine dünne, hochreflektierende Schicht vor, die bei hoher Energiedichte der stimulierten Strahlung verdampft. Durch die Wahl der Schichtutärke läßt sieh ein solcher Auskoppelreflektor in einfacher Veise an die vom Laser abgebbare maximale Impulsleistung anpassen. Z.ieckmäßig wird als Träger der hochreflektierenden dünnen Schicht eine unter dem Einfluß hoher Energiedichte der stimulierten Strahlung zerstörbare Folie verwendet, weil dadurch der Reflexionsfaktor des Auskoppelref2ektore im Bereich der Impulsspitze exakt auf den Wert Null erniedrigt wird.
• Die Abgabe jedes weiteren Impulses erfordert einen neuen Aukoppelreflektor-. Der zweite hochreflektierend ausgebildete Resonatorspiegel wird in der Regel für eine, vrenn auch geringe Anzahl von Impulsen verwendbar sein. Um vienig-

  stene für diese Anzahl von Impulsen eine Auslösung in

  kurzzeitiger Aufeinanderfolge gerährleisten zu können,

  ist en zweckmäßig, mehrere gleiche Auskoppelreflektoren für

  ihre aufeinanderfolgende Anwendung in einem Magazin anzuord-

  nen.

  Eine besonders einfache Ausführungsform eines solchen Maga-

  zino besteht aus einer um eine Achse parallel zür Resonator-

  achse drehbare kreisförmige Scheibe, an deren-Umfang in

  vorzugsweise gleichen Abstünden die Auskoppelreflektoren

  angeordnet sind. '

  Anhand eineu in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbei-

  epielo soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert

  werden. In der Zeichnung bedeuten

  Fig. 1 das Blockschaltbild-einen bekannten bereits crliiu=

  tcrtcrt Riesenimpulalasera,

  Fig. 2 das' Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels

  naetder Erfindung.

  Der -ßiesenimpulalaser nach der Pig. 2 bestellt analog zum

  Rieseninpul slaser nach der .l@ ig e 1 au;einem stabfcrr.«gen

  aktiven @-@eri zil, das ini t "einer Stabachse in der Achse

  eiaes .:ao p lanp-rallelen 'jpi eg-elrl S1 und Sei be:--te-

  Ileiit.f.'.i: a neordne t @@ t. In Reihe mit den: -s tab-

  förmigen aktiven Material M ist innerhalb des Resonators hier lediglich noch ein Absorptionsschalter A vorgesehen. Die Kerrzelle K, die Polarisationsweiche P und der die'Kerrzelle steuernde Fotoempfänger Pe sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach der fig. 2 durch den Spiegel S2i ersetzt. Fr besteht aus einer vom Laserstrahl zerstörbaren Folie mit einer aufgedampften dünnen hochreflektierenden Schicht. Sobald der Absorptionsschalter A bei" hohen Inversionswerten des gepumpten aktiven Materials M in die Sättigung übergeht und damit der Lichtimpuls mit; sehr steiler Anstiegsflanke ansteigt, wird durch die . rasch anwachsende Energiedichte die dünne hochreflketierende Schicht des Spiegels S2i verdampft, die Trägerfolie zerstört und der Impuls durch den zerstörten Spiegel:S2i abgestrahlt, wobei infolge der Zerstörung dieses Spiegels die Impulsflanke wiederum steil abfällt.
• Wie die Fig. 2 erkennen läßt, ist der Spiegel S2zusammen mit weiteren Spiegeln am Umfang einer Scheibe Sch angeordnet, die ein Spiegelmagazin darstellt und um eine Achse a parallel zur Resönatorachse drehbar angeordnet ist. Die Scheibe Sch stellt zusammen. mit dem Spiegel 82i ein Spiegelmagazin dar, das für jeden weiteren auszulösenden Rin3enimpuls durch Drehung der Scheibe Sch um einen vorgegebenen Winkel einen weiteren Spiegel S2i als -Resonatorspi egel zur Verfügung stellt. Der jeweils erforderliche Drehwinkelschritt kann, wie das in der Fig. 2 angedeutet ist,. durch einen Servomotor Mo gesteuert werden: Anstelle von Scheibenmagazinen sind auch Streifenmagazine denkbar, bei denen die Spiegel d2untereinander in einem strefenförinigen-Rahmen untergebracht sind, der nach Art eins Filmes senkrecht zur Resonatorachse von Impuls zu Impuls verschoben wird.

Claims (3)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Optischer T,Iolekularverstärker zur Erzeugung von Impulsen hoher Leistung (Riesenimpulslaser), bestehend aus einem aktiven Material in Stabform, insbesondere Festkörpermaterial, bei,pielscveise Rubin, das mit seiner Stabachle in der Achse eines aus zwei Reflektoren gebildeten optischen Resonators angeordnet ist,' einen den optischen Resonator im geöffneten Zustand sperrenden optischen Schalter und einer Pumpanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der eine für die hu skopplung der impulsförmigen@ stimulierten Strahlung .aus dem optischen Resona tor mit vervrendete Reflektor (S2i) (Auskoppelreflektor) für eine bei hoher Energiedichte der stimulierten Strahlung mit wachsender Energiedichte,stark zunehmende Durchlässigkeit ausgebildet ist.
2. 2. Optischer I:Iolekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kuskoppelreflektor (S2i) eine hochreflektierende dünne Schicht ist, die bei hoher Energiedichte der stimulierten Strahlung verdampft.
3. 3. Optischer I:Iolekularverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger der hochreflektierenden dünnen Schicht eine unter dem Einfluß hoher Energiedichte der stirnulierten Strahlung zerstörbare Folie vorgesehen ist. h. _Optischer,Molekularverstärker, nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere - gleiche Auskoppelreflektoren für ihre aufcinanderfol- gende Anwendung in einem Magazin angeordnet sind. 5Optischer Molekularverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magazin eine um eine Achse (a) parallel zur Resonatorachse drehbare:'kreisförmige Scheibe (Sch) ist, an deren Umfang in vorzugsweise - gleichen Abständen die Auskoppelreflektoren (S2i) an- geordnet- sind.