DE1614612C3 - Optischer Sender für kohärente Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender für kohärente Strahlung zur Erzeugung von Impulsen hoher Leistung (Riesenimpulslaser), mit einem stimulierbaren Medium in Stabform, insbesondere einem Festkörpermaterial, beispielsweise Rubin, das zusammen mit einem optischen Schalter innerhalb eines aus zwei Reflektoren gebildeten optischen Resonators angeordnet ist, und mit einer Anregungsanordnung.

Bei Lasern dieser Art wird mit Hilfe des erwähnten optischen Schalters angestrebt, die gesamte im stimulierbaren Medium durch Inversion von Energieniveaus gespeicherte Energie in Form eines Riesenimpulses in kohärente Strahlung umzusetzen. Der optische Schalter hat dabei die Aufgabe, den optischen Resonator so lange zu sperren, bis das stimulierbare Medium durch die ständige Anregungsenergiezufuhr zu ausreichend hohen Inversionswerten angeregt ist. Anschließend gibt der optische Schalter durch Schließen den Resonator zur Abgabe der gespeicherten Energie in. Form eines sehr kurzzeitigen Lichtblitzes frei. Als optische Schalter eignen sich sättigbare Absorber, die bei Anwachsen der Inversion bei einem bestimmten Wert in Säili^unii übervollen.

Beim Riesenimpulslaser wird der Impulsanstieg um so 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 während des Impulsanstiegs der Reflexionsfaktor wenigstens annähernd Eins ist und nach Erreichen der Impulsspitze

ίο einen vernachlässigbar kleinen Wert annimmt. Diese Forderung kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, daß als optischer Schalter eine Kerrzelle in Verbindung mit einer Polarisationsweiche verwendet wird, mit deren Hilfe eine zweimalige Umschaltung der Resonatorgüte 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 5¹1 und S 2, zwischen denen das stabförmige stimulierbare Medium M in Reihe mit einem aus einer Kerzelle K und einer Polarisationsweiche P bestehenden KerrzellcnschaUer und einem Absorpüonsschalter A angeordnet ist. Der Spiegel Sl auf seiten des Absorptionsschalters A hat eine geringe Durchlässigkeit, was in der Fig.] durch den über den Spiegel S 2 hinausgeführten Pfeil angedeutet ist. Durch die gleichzeitige Verwendung eines Kerrzellenschalters und eines Absorptionsschalters A ist es lediglich erforderlich, den Kerrzellenschalter für die Abgabe eines Laserimpulses einmal zu schalten. Zunächst ist der Kerrzellenschalter für optisch unbeeinflußten Durchgang geöffnet. Der Absorptionsschalter A sperrt den Resonator für die Ausbildung einer kohärenten Emission durch sein Absorptionsverhalten. Bei hohen Inversionswerten des angeregten stimulierbaren Mediums geht der Absorptionsschalter in die Sättigung über und bestimmt damit den Impulsanstieg der Strahlung. Im Zeitpunkt der Impulsspitze wird der Kerrzellenschalter geschlossen und koppelt damit über die Polarisationsweiche P den Impuls aus dem Resonator aus. In F ig. 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 Photoempfänger Pe gewonnen, der bei einer vorgegebenen Energie des über den in geringem Umfang durchlässigen Spiegel S austretenden Lichtstrahls den gewünschten Steuerimpuls an die Elektrodenanschlüsse χ 1 und χ 2 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 erhalten. Ferner bedingt die An-

Ordnung der Kerrzelle K und der Polarisationsweiche P im Bereich des von den beiden Spiegeln S1 und 5 2 gebildeten Resonators unerwünschte Verluste.

Es ist bereits eine Auskoppel vorrichtung für einen gepulsten Laserstrahl vorgeschlagen worden, die darin besteht, daß der eine von den beiden einen optischen Resonator begrenzenden Spiegeln aus drei Bauteilen derart zusammengesetzt ist, daß eine Übcr-

gangsfläche im Innern der Anordnung, die von der Laserstrahlung unter einem Einfallswinkel getroffen wird, der größer als der kritische Winkel für die Totalreflexion ist, mit einer ausbleichbaren planparallelen Spiegelschicht belegt ist, die im Zustand der Durchlässigkeit zugleich ihre Brechzahl den sie umgebenden Medien angleicht und den Laserimpuls austreten läßt, nachdem sie diesen Impuls zuvor im Zustand großer Absorption und kleinerer Brechungszahl als Teilstück einer optischen Schleife in sich zurückreflektiert hatte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Hinblick auf Riesenimpulslaser der einleitend beschriebenen Art, für die Steuerung des Reflexionsgrades des zur Strahlauskopplung mitverwendeten einen Resonatorspiegels eine weitere Lösung anzugeben, die mit einem relativ geringen technischen Aufwand auskommt.

Ausgehend von einem optischen Sender für kohärente Strahlung zur Erzeugung von Impulsen holier Leistung (Riesenimpulslaser), mit einem stimulierbaren Medium in Stabform, insbesondere einem Festkörpermaterial, beispielsweise Rubin, das zusammen ' ■; mit einem optischen Schalter in einem von zwei Reflektoren begrenzten optischen Resonator angeordnet ist, und mit einer Anregungsanordnung, bei der der eine für die Auskopplung der impulsförmigen kohärenten Strahlung aus dem optischen Resonator mitverwendete Reflektor (Auskoppelreflektor) für eine bei hoher Energiedichte der kohärenten Strahlung mit wachsender Energiedichte stark zunehmende Durchlässigkeit ausgebildet ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Auskoppelreflektor eine hochreflektierende dünne Schicht ist, die bei hoher Energiedichte der kohärenten Strahlung verdampft.

Die Lichtleistung von Riesenimpulsen kann sehr hohe Werte annehmen. Bei Kristallasern erreicht sie viele MW/cm². Energiedichten dieser Größenordnung hält auf die Dauer kein Spiegel aus. Es ist also mit anderen Worten bei Anordnungen dieser Art erforderlich, bereits nach wenigen abgegebenen Impulsen die Spiegel auszuwechseln. Ist einer der beiden Spiegel zusätzlich zur Auskopplung des Laserlichts aus ■·"·'% dem Resonator mitverwendet, so ist dieser Spiegel der Gefahr der Zerstörung besonders ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß dieser in jedem Falle vorhandene Zerstörungseffekt in außerordentlich vorteilhafter Weise durch geeignete Bemessung des für die Auskopplung des Impulses mitverwendeten Spiegels zur Umschaltung des Reflexionsfaktors im Zeitbereich der Impulsspitze mit ausgenutzt werden kann. Durch die Wahl der Schichtstärke läßt sich ein solcher Auskoppelreflektor in einfacher Weise an die vom Laser abgebbare maximale Impulsleistung anpassen.

Zwar ist das Verdampfen von auf Folien aufgetragenen dünnen absorbierenden Schichten im Wege der stimulierten Strahlung innerhalb des optischen Resonators bereits bekannt. Im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand handelt es sich dabei jedoch nicht um den Auskoppelspiegel, sondern um den eigentlichen, die Güte des Resonators umschaltenden optischen Schalter.

Zweckmäßig wird als Träger der hochreflektierenden dünnen Schicht eine unter dem Einfluß hoher Energiedichte der stimulierten Strahlung zerstörbare Folie verwendet, weil dadurch der Reflexionsfaktor des Auskoppelreflektors im Bereich der Impulsspitze exakt auf den Wert Null erniedrigt wird.

Die Abgabe jedes weiteren Impulses erfordert einen neuen Auskoppelreflektor. Der zweite hochreflektierend ausgebildete Resonatorspiegel wird in der Regel für eine, wenn auch geringe Anzahl von Impulsen verwendbar sein. Um wenigstens für diese Anzahl von Impulsen eine Auslösung in kurzzeitiger Aufeinanderfolge gewährleisten zu können, ist es

ίο zweckmäßig, mehrere gleiche Auskoppelreflektoren für ihre aufeinanderfolgende Anwendung in einem Magazin anzuordnen.

Eine besonders einfache Ausführungsform eines solchen Magazins besteht aus einer um eine Achse parallel zur Resonatorachse drehbare kreisförmige Scheibe, an deren Umfang in vorzugsweise gleichen Abständen die Auskoppelreflektoren angeordnet sind.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 das Blockschaltbild eines bekannten bereits erläuterten Riesenimpulslasers,

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung.

Der Riesenimpulslaser nach der Fig. 2 besteht analog zum Riesenimpulslaser nach der Fig. 1 aus einem stabförmigen stimulierbaren Medium, das mit seiner Stabachse in der Achse eines von zwei planparallelen Spiegeln Sl und S 2 i begrenzten Resonators angeordnet ist. In Reihe mit dem stabförmigen stimulierbaren Medium M ist innerhalb des Resonators hier lediglich noch ein Absorptionsschalter A vorgesehen. Die Kerrzelle K, die Polarisationsweiche P und der die Kerrzelle steuernde Photoempfänger Pe sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach der F i g. 2 durch den Spiegel S 2 i ersetzt. Er besteht aus einer vom Laserstrahl zerstörbaren Folie mit einer aufgedampften dünnen hochreflektierenden Schicht. Sobald der Absorptionsschalter A bei hohen Inversionswerten des angeregten stimulierbaren Mediums M in die Sättigung übergeht und damit der Lichtimpuls mit sehr steiler Anstiegsflanke ansteigt, wird durch die rasch anwachsende Energiedichte die dünne hochreflektierende Schicht des Spiegels S 2 i verdampft, die Trägerfolie zerstört und der Impuls durch den zerstörten Spiegel S2i abgestrahlt, wobei infolge der Zerstörung dieses Spiegels auch die Impulsrückflanke steil abfällt.

Wie die Fig. 2 erkennen läßt, ist der Spiegel SIi zusammen mit weiteren Spiegeln am Umfang einer Scheibe Sch angeordnet, die ein Spiegelmagazin darstellt und um eine Achse α parallel zur Resonatorachse drehbar angeordnet ist. Die Scheibe Sch stellt zusammen mit dem SpiegelSIi ein Spiegelmagazin dar, das für jeden weiteren auszulösenden Riesenimpuls durch Drehung der Scheibe Sch um einen vorgegebenen Winkel einen weiteren Spiegel S 2 i als Resonatorspiegel zur Verfügung stellt. Der jeweils erforderliche Drehwinkelschritt kann, wie das in der Fig. 2 angedeutet ist, durch einen ServomotorMo gesteuert werden.

An Stelle von Scheibenmagazinen sind auch Streifenmagazine denkbar, bei denen die Spiegel S2i untereinander in einem streifenförmigen Rahmen untergebracht sind, der nach Art eines Kino-Filmes senkrecht zur Resonatorachse von Impuls zu Impuls verschoben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender für kohärente Strahlung zur Erzeugung von Impulsen hoher Leistung (Riesenimpulslaser), mit einem stimulierbaren Medium in Stabform, insbesondere einem Festkörpermaterial, beispielsweise Rubin, das zusammen mit einem optischen Schalter in einem von zwei Reflektoren begrenzten optischen Resonator angeordnet ist, und mit einer Anregungsanordnung, bei der der eine für die Auskopplung der impulsförmigen kohärenten Strahlung aus dem optischen Resonator mitverwendete Reflektor (Auskoppelreflektor) für eine bei hoher Energiedichte der kohärenten Strahlung mit wachsender Energiedichte stark zunehmende Durchlässigkeit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppelreflektor (S 2 /) eine hochreflektierende dünne Schicht ist. die bei hoher Energiedichte der kohärenten Strahlung verdampft.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Träger der hochreflektierenden dünnen Schicht eine unter dem Einfluß hoher Energiedichte der kohärenten Strahlung zerstörbare Folie vorgesehen ist.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleiche Auskoppelreflektoren für ihre aufeinanderfolgende Anwendung in einem Magazin angeordnet sind.

4. Optischer Sender nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Magazin eine um eine Achse (d) parallel zur Resonatorachse drehbare kreisförmige Scheibe (Sch) ist, an deren Umfang in vorzugsweise gleichen Abständen die Auskoppelreflektoren (S 2 /) angeordnet sind.