DE1614622A1 - Optischer Molekularverstaerker - Google Patents

Description

• Optischer Molekularverstärker

  Die Erfindung bezieht -sieh auf einen optischen Molekular-

  veratö.rIar, bestehend aus einem aktiven Material, das zu-

  sammen mit cenen selektiv sättigbaren Filter (Absorber)

  innerhalb eineu mit einer Auskoppelvorrichtung versehenen`

  optischen Resonatora angeordnet ist und einer 1?umpvorrich-

  tung für das aktive Material.

  Optische Molekularverstärker, bei denen in der optischen

  Achse des Resonatoru ein eättigbarer Absorber angeordnet

  ist, können zur Erzeugung von sogenannten Riesenimpulsen

  .! vervrendot werden. Solange der Aboorber wirksam ist, wird.

  hier das aktive bfaterial durch die ständige pumpenergieu-_ fuhr zu immer höheren Inversiorisvierten gepumpt, bis-die Abso3fptionsfä:hgkeit des Absorbers durch Sättigungserscheinungen erschöpft und damit der optische Resonator durch den Absorber für die Ausbildung eines Laserliehtblites freigegeben wird, d.h. sich die gespeicherte Energie im aktiven Material in Form sines^Riesenimpulses entlädt. Wie umfangsreiche-Untersuchungen an solchen Riesenimpulslasern gezeigt haben, kann durch eine frequenzselektive Sättigung solcher Absorptionssehalter eine Prequenzselek-tion der ysserstrahlurig erreicht werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung eines solchen frequenzselektiv sättgbaren Absorbers für einen optischen rriolekularverstärker einen sowohl hinlichtlichtaxialer als auch transversaler Moden selektiven Resonator anzugeben.
• Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem optischen Molekularverstä:rker der einleitend, beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der optische Resonator vom sogenannten stabilen allgemein konfokalen Typ für einen Frequenzabstand zwischen den in ihm existenzfähigen transversalen Moden höherer Ordnung und. dem axialen Mode höchster Güte bemessen ist, der größer als der vom angegebenen Axialmode bewirkte::: Frequenzbereich der Sättigung des Filters ist.

  Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die

  frequciizzolelttiuen Eigenschaften von mit ,sättigbaren Ab-

  sorbern hrbeitenden Riedenimpulslasern, eifix frequcnz-

  selektives sättigungsverhalten des. verwendeten Absorber

  vorausgeaetzts darauf beruhen:, daß der Resenator zunächst

  stets in der axialen, Mode höchster Güte anchvringtder

  dann= auch den Absorber bei seiner fite: orianzfrequenz zu-

  erst sättigt. Ianit wird dieser Mode gegen olle, anderen

  axialen Moden stark 'bevor zugt. Die Folge davon kann eine

  Unterdrückung der. übrigen axiaIen Moden sein. -Der- axiale

  Mode - höchüter Güte, im folgenden als Grundmode bezeichnet,

  ist durch die beiden-,.en,der Inversion: beteiligten .'Energie-

  -niveauliniert beatimmt:. die bei - gegebenen Abmeceungen des -

  vererendeten optischen Reeonatoro die höchste- Vers- tärkung

  für ;die stii-aulierte Emicsicii aufvreisen.

  Der Verlauf der-Verstärkung V über- der Frequenz f ist in

  deinen charakteristischen Merkmalen in der -fig;: . 1 angege-

  ben.. . Danach durchläuft die Verstärkung pin Maximum. Die

  'exis-ten: f,üigen axialen- Moden sind durch S triche läng;

  :der frequenzaehse.'angegeben.: Der zuerst angeregte Grurid-

  todeä.G1,I, -also -der: axiele Mode bei- der höchotezt Verstär-

  kung,- sättigt dein: -Absorber, bei ;einer Frequenz zuerst.

  und kann damit vo-r -allen anderen axialen htodenstark an-

  aa.ehscii- .

  In der Fig:. . 2, die di-e -Dämpfung a, _ d.es -selelctiv sättgbaren

  Filt=ers über der Frequenz -zeigt, steilt sich die-durch

  den angeregten Grun:dmoae GI,i .nach der Fig. 1-.bewirlcte se-,

  lektive- :Sättigung --bei der- Frequenz des Grundmoden als ein

  schmaler, fast bis.zur-Dämpfung a = 0 herabreichender .

  Einbruch dar. Die auf diese V7eise erziclt.c starlce Bevorzu-

  gung deo Grundrnodee GI,i verhindert eine wirkungsvolle An-

  regung der Ober- und unterhalb des Grundmodes GIJ vorhande-

  nen weiteren zexis tenzfähigen axialen Moden. _ -

  Wie eingehende der Erfindung zugrunde liegende weitere

  Untersuchungen gezeigt haben, verhindern derartige frequenz=

  selektiv sättigbare-Filter im allgemeinen nicht die Aus-

  bildung - einer größeren Anzahl tranversaler Moden höherer

  Ordnung: Der Grund hierfür muß einerseits in dem im all-

  gemeinen nicht beconderd scharf ausgeprägten. selektiven

  Bereich -der durch .den Grundanode G1-1 erzielten. Sättigung

  des Filters und andererseits in der Tatsache gesehen teer-

  den, daß die trünsversalen Moden höherer Ordnung gerade

  bei den üblicherweise verwendeten. Grenzfüllen optischer

  Hesonatoren,von den axialen Moden einen sehr geringen

  Abstand haben.

  In der rig. 3 sind nur beispielsweise für den ebenen Reeo--

  nator die Amplituden A aufenanderfolgender axialer und

  transversaler Moden aufgetragen. Zur besseren Unterschei-

  düng- der axialen von den transversalen 14öden sind die axialen.Moden durch erhöhte Strichstärke besonders markiert. Die transversalen Voden schmiegen .sich, wie die Fig. 3 erkennen läßt, in sehr geringen Abständen an- die axialen Moden an, ivas- zur Folge hat, daß diesen nahe benachbarten transversalen Moden die vom Grundmode GM bef seiner Anregung bewirkte f'reguenzselektive Sättigung des Filters für ihre. Anregung unmittelbar zugute kommt. Ähnlich sind die Verhältnisse beim konzentrischen, beim konfokalen und beim hemikonzentrischen Resonator.
• Durch die erfindungsgemäße Bemessung@deä Resonators läßt sich der Abstand der transversalen Moden höherer Ordnung von den axialen Moden in außerordentlich vorteilhafter Veise vergrößern; so daß den den Grundmode unmittelbar benachbarten transversalen Moden die durch den Grundmode bewirkte selektive Sättigung dee sättigbaren: Filters für ihre Anregung-nicht mehr zugute kommen kann-Sie können daher entsprechend den-unerwünschten axialen Moden hier ebenfalls unterdrückt werden. In@diesem Zusammenhang ist noch fes-tzustellen, daß - die erfindungsgemäße-Anordnungkeineswegs ° auf optische Molekularverstärker mit impulsförmiger Arbeitsweise beschränkt ist, sande'rn vielmehr auch bei Laseranordnungen mit kontinuierlicher Arbeitsweise anwendbar ist. Eb hängt nämlich allein von der Zeitkonstanten des Sättigungsvorgangs und der des Wonators äb, ob sich bei kontinuierlicher Energiezufuhr eine ununterbrochen .pulsieren-,. de Emission einstellt oder ob die Emission nach anfänglichen Einschwingvorgängen in ein Gleichgewicht übergeht. Einen ausreichend großen Abstand zwischen der Grundmode und den ihn benachbarten transversalen Moden höherer Ordnung läßt*sich bei relativ geringem technischen Aufwand dadurch verwirklichen, d413 der optische Resonator von zwei . sphärischen oder parabolischen Reflektoren gebildet ist. Sollen hinsichtlich des Frequenzabstandes zwischen dem Grundmode und den ihn benachbarten transversalen Dioden höherer Ordnung keine besonderen Anforderungen gestellt werden, co ist es zweckmäßig, als frequenzselektives Filter eine mit einem gasförmigen Absorberstoff gefüllte-Küvette vorzusehen, da es bekannt ist, daß in Gasen Bereiche der Linie selektiv gesättigt werden können, die klein gegen die linicnbrete und kleiner als die üblichen Frequenzabstände von Laserozillatoren sind.
• An Hand eines in der Zeichnung-dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noc-°"riäher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuterif

  Fig: 1 -.ein bereits erläuterte-Diagramm,

  rig*_2 ein bercta. erläutertes Diagramm,

  rzg-t3 . - en bereits erläutertes Diagramm,

  Fig.. 4- .ein Ausführung beispie1 nach der Erfindung in

  schematischer Darstellung,

  Fg.--:5 , ::ein, Diagramm des Modenapektrums .für einen optischen

  - -.t@iolekularverstärkcr nach der Fg. 4@

  Der -optische Molel:ularverutärker nach der Fig. 4 verwendet

  eitlen allgemein konfokalen _opt'ischen Resonator mit zwei

  sphärischen Spiegeln S1 und S2, deren Radien.r1 und r2

  gleich gewählt.und deren gegenseitiger Abstand 1 kleiner

  ist als die Summe der Radien r1 und r2-. Das von einer

  nicht-näher dargestellten Pumpanoranung gepumpte aktive

  Material t1 hat Stabform und ist mit-sein-er :Achse in

  der Achse des optischen Resanators in Reihe mit einem

  sclektv s,ittgbaren Filter. Ab angeordnet.

  Das selektiv sättigbare Filter Ab ist ein Absorber mit

  intensitätsabhängiger Transmis;ion; der aus einer auf

  einen Glasträger aufgcbrachten,dünnen 2arbschicht oder.

  aber aus-eeiner mit einer-geeigneten organischen Parb-

  stofflösung -,g:efüllten Küvette besteht: Sind besonders,

  gute frequenzselektive Sättigungs=eigenschaften des

  Filters erwünscht, so ist es sinnvoll, von festen oder

  flüssigen Absorberstoffen auf gasförmige AbsorberstoffQ überzugehen. Moleküle in Gasen liefern scharfe Absorptionslinien innerhalb schmaler Frequenzbänder. In diesem Zusainmenhang sei beispielsweise auf die bekannte Erscheinung der sogenannten Selbotabuorption von Spektrallinien in Gasen hingewiesen.
• Die erfindungsgemäße Bemessung des Resonators entsprechend der Anordnung nach der Fig. 4 hat, vrie bereits im vorstehenden ausführlich erläutert worden ist, die Eigenschaft, daß sich hier bei geeigneter Bemessung der Abstand zwischen den axialen Moden und den ihnen unmittelbar benachbarten transversalen T4oden höherer Ordnung im Sinne ihrer Unterdrückung außerhalb des durch den Grundmode im selektiv sättigbaren Filter Ab. bewirkten Sättigungsbereichs- zu liegen kommen.
• Im Diagramm der Fig. 5 sind über der Frequenz f die Amplituden A der bei einem Resonator entsprechend der Anordnung nach der Fig. 4 existenzfähigen Moden für einen begrenzten Frequenzbereich dargestellt. Die axialen Moden sind hierbei durch verstärkte länienführung gegenüber den trapsversalen Moden hervorgehoben. Wie einem Vergleich `der Dia-" gramme der Fig2 und 3 mit dem Diagramm der Pig. 5 zu entnehmen ist, läßt sich im Gegensatz zu einem ebenen Resonator bei einem allgemein bonfokalen Resonator der Abstand der trsnuver-saien Moden höherer Ordnung von dem ihnen unmittelbar benachbarten axialen Mode soweit vergrößern, daß Gien transversalen Moden höherer Ordnung- für ihre Anre-@ gung der durch den angeregten Grundmode im Pilter:bewirkte selektive Sättigungsbereich nicht zugute kommen kann.

Claims (3)

1. P a t e n t :a n s p r ü .c h e 1: Optischer Molekularverstärker, bestehend. aus einem . aktiven Material, das zusammen mit einem selektiv sättigbaren Filter (Absorber) innerhalb eines mit einer Auskoppelvorrichtung versehenen optischen Resonators angeordnet ist `und einer Pumpvorrichtung für das aktive Material, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator vom r,'ogenannten stabilen allgemein konfokalen Typ für einen Prequenzabstand zwischen den in ihm existenzfähigen transversalen Moden höherer Ordnung und dem axialen 1,iIode höchster Güte bemessen ist, der größer als der vom angegebenen Axia'lmode bei-tirkte=@ . -Frequenzbereich 'der Sättigung des Filters (Ab) ist.
2. 2. Optischer rlolekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, saß der optische Resonator von zwei sphärischen oder parabolischen Reflektoren (S1, S2) gebildet ist.
3. 3. Optischer Irlolekularverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, duß das frequenzselektiv sättigbare Filter eine Küvette mit einem gasförmigen Absorber-. Stoff ist.