DE1614622C3 - Anordnung zur Unterdrückung von Eigenschwingungen in einem optischen Sender (Laser) - Google Patents

Description

genügen, so daß der Frequenzabstand zwischen der in ihm existenzfähigen axialen Grundeigenschwingung und den transversalen Eigenschwingungen höherer Ordnung größer ist als der durch die axiale Schwingung gesättigte Frequenzbereich im Absorber.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzselektiv sättigbare Filter eine Küvette mit einem gasförmigen Absorberstoff ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Unterdrückung von Eigenschwingungen in einem optisehen Sender (Laser), dessen optischer Resonator außer dem stimulierbaren Medium einen selektiv sättigbaren Absorber enthält.

Optische Sender, bei denen in der optischen Achse des Resonators ein sättigbarer Absorber angeordnet ist, können zur Erzeugung von sogenannten Riesenimpulsen verwendet werden. Solange der Absorber wirksam ist, wird hier das stimulierbare Medium durch die ständige Anregungsenergiezufuhr zu immer höheren Inversionswerten angeregt, bis die Absorptionsfähigkeit des Absorbers durch Sättigungserscheinungen erschöpft und damit der optische Resonator durch den Absorber für die Ausbildung eines Laserlichtblitzes freigegeben wird, d. h. sich die gespeicherte Energie im stimulierbaren Medium in Form eines Riesenimpulses entlädt. Wie umfangreiche Untersuchungen an solchen Riesenimpulslasern gezeigt haben, kann durch eine frequenzselektive Sättigung solcher Absorptionsschalter eine Frequenzselektion der Laserstrahlung erreicht werden.

Die frequenzselektiven Eigenschaften von mit sättigbaren Absorbern arbeitenden Riesenimpulslasern, ein frequenzselektives Sättigungsverhalten des verwendeten Absorbers vorausgesetzt, beruhen darauf, daß der Resonator zunächst stets in dem axialen Mode hochster Güte anschwingt, der dann auch den Absorber bei seiner Resonanzfrequenz zuerst sättigt. Damit wird dieser Mode gegen alle anderen axialen Moden stark bevorzugt. Die Folge davon kann eine Überdrückung der übrigen axialen Moden sein. Ausführungsbeispiele sind von Mocker und Collins in »Applied Physics Letters«, Bd. 7, Nr. 10 vom 15.11.1965 S. 270 bis 273. und von S c h m a c k ρ C e f f e r und Weber in »Physics Letters«, Bd. 24 A Nr 3 30.1.1967, S. 190 und 191, beschrieben: '

Der axiale Mode höchster Güte, im folgenden als Grundmode bezeichnet, ist durch die beiden an der Inversion beteiligten Energieniveaulinien bestimmt, die bei gegebenen Abmessungen des verwendeten optischen Resonators die höchste Verstärkung für die stimulierte Emission aufweisen.

Der Verlauf der Verstärkung V über der Frequenz/ ist in seinen charakteristischen Merkmalen in der F i g. 1 angegeben. Danach durchläuft die Verstärkung ein Maximum. Die existenzfähigen axialen Moden sind durch Striche längs der Frequenzachse angegeben. Der zuerst angeregte Grundmode GAi₁ also der axiale Mode bei der höchsten Verstärkung, sättigt den Absorber bei seiner Frequenz zuerst und kann damit vor allen anderen axialen Moden stark anwachsen.

In der F i g. 2, die die Dämpfung α des selektiv stätigbaren Filters über der Frequenz zeigt, stellt sich die durch den angeregten Grundmode GM nach der F i g. 1 bewirkte selektive Sättigung bei der Frequenz des Grundmodes als ein schmaler, fast bis zur Dämpfung o = 0 herabreichender Einbruch dar. Die auf diese Weise erzielte starke Bevorzugung des Grundmodes GM verhindert eine wirkungsvolle Anregung der ober- und unterhalb des Grundmodes GM vorhandenen weiteren existenzfähigen axialen Moden.

Wie eingehendeder Erfindungzugrunde liegendeweitere Untersuchungen gezeigt haben, verhindern derartige frequenzselektiv sättigbare Filter im allgemeinen nicht die Ausbildung einer größeren Anzahl transversaler Moden höherer Ordnung. Der Grund hierfür muß einerseits in dem im allgemeinen nicht besonders scharf ausgeprägten selektiven Bereich der durch den Grundmode GM erzielten Sättigung des Filters und andererseits in der Tatsache gesehen werden, daß die transversalen Moden höherer Ordnung gerade bei den üblicherweise verwendeten Grenzfällen optischer Resonatoren von den axialen Moden einen sehr geringen Abstand haben.

In der F i g. 3 sind nur beispielsweise für den ebenen Resonator die Amplituden A aufeinanderfolgender axialer und transversaler Moden aufgetragen. Zur besseren Unterscheidung der axialen von den transversalen Moden sind die axialen Moden durch erhöhte Strichstärke besonders markiert. Die transversalen Moden schmiegen sich, wie die F i g. 3 erkennen läßt, in sehr geringen Abständen an die axialen Moden an, was zur Folge hat, daß diesen nahe benachbarten transversalen Moden die vom Grundmode GM bei seiner Anregung bewirkte frequenzselektive Sättigung des Filters für ihre Anregung unmittelbar zugute kommt. Ähnlich sind die Verhältnisse beim konzentrischen, beim konfokalen und beim hemikonzentrischen Resonator.

Aus der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, Bd. 7, Nr. 10, vom 15. November 1965, S. 270 bis 273, ist ein Verfahren zur Modenselektion in einem Rubinlaser zur Güteschaltung bekannt. Dort werden ebene Reflektoren verwendet und innerhalb des Resonators ein sättigbarer Absorber eingefügt. Durch Änderung der Resonatorlänge läßt sich eine Modenauswahl treffen. Bei diesen Moden handelt es sich jedoch durchgehend um axiale Moden des Lasers, deren Frequenzabstände durch Änderung der Resonatorlänge mit den ebenen Reflektoren variiert werden. Die transversalen Moden, welche jedem axialen Mode des gleichen Modentyps benachbart sind, behalten jedoch ihren Frequenzabstand zu diesem konstant. Sie können durch

ein sättigbares Filter nicht aus dem Strahlenausgang herausgefiltert werden, da ihre Abstände von dem bezüglichen axialen Mode geringer sind als die Filterbreite des sättigbaren Absorbers.

Das gleiche gilt für den Rubinlaser mit einem sättigbaren Absorber zur Modenselektion, mit dem Untersuchungen in einem Artikel in »Physics Letters«, Bd. 24 A, Nr. 3, vom 30. Januar 1967, S. 190 und 191, beschrieben sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung eines solchen frequenzselektiv sättigbaren Absorbers für einen optischen Sender einen sowohl hinsichtlich axialer als auch transversaler Moden selektiven Resonator anzugeben.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem optischen Sender der einleitend beschriebenen Art, dadurch gelöst, daß der optische Resonator von zwei sphärischen oder parabolischen konkaven Reflektoren begrenzt ist und derart aufgebaut ist, daß seine Länge / und die Krümmungsradien r der Resonatorspiegel der Beziehung

genügen, so daß der Frequenzabstand zwischen der in ihm existenzfähigen axialen Grundeigenschwingung und den transversalen Eigenschwingungen höherer Ordnung größer ist als der durch die axiale Schwingung gesättigte Frequenzbereich im Absorber.

Durch die erfindungsgemäße Bemessung des Resonators läßt sich der Abstand der transversalen Moden höherer Ordnung von den axialen Moden in außerordentlich vorteilhafter Weise vergrößern, so daß den den Grundmode unmittelbar benachbarten transversalen Moden die durch den Grundmode bewirkte selektive Sättigung des 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 festzustellen, daß die erfindungsgemäße Anordnung keineswegs auf optische Sender mit impulsförmiger Arbeitsweise beschränkt ist, sondern vielmehr auch bei stetiger Arbeitsweise anwendbar ist.

Es hängt nämlich allein von der Zeitkonstanten des Sättigungsvorgangs und der des Resonators ab, ob sich bei stetiger Energiezufuhr eine ununterbrochen pulsierende Emission einstellt oder ob die Emission nach anfänglichen Einschwingvorgängen in ein Gleichgewicht übergeht.

Einen ausreichend großen Abstand zwischen dem Grundmode und den ihm benachbarten transversalen Moden höherer Ordnung läßt sich bei relativ geringem technischem Aufwand dadurch verwirklichen, daß der optische Resonatorvon zwei sphärischen oderparabolischen Reflektoren gebildet ist.

Sollen hinsichtlich des Frequenzabstandes zwischen dem Grundmode und den ihm benachbarten transversalen Moden höherer Ordnung keine besonderen Anforderungen gestellt werden, so 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 Linienbreite und kleiner als die üblichen Frequenzabstände von optischen Sendern sind.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet F i g. 1 ein bereits erläutertes Diagramm,
F i g. 2 ein bereits erläutertes Diagramm,
F i g. 3 ein bereits erläutertes Diagramm,

ίο F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in schematischer Darstellung,

F i g. 5 ein Diagramm des Modenspektrums für einen optischen Sender nach der F i g. 4. ■

Der optische Sender nach der F i g. 4 verwendet einen allgemein konfokalen optischen Resonator mit zwei sphärischen Spiegeln Sl und S2, deren Radien rl und t'2 gleich gewählt und deren gegenseitiger Abstand / kleiner ist als die Summe der Radien rl und rl. Das von einer nicht näher dargestellten Anregungsanordnung angeregte stimulierbare Medium M hat Stabform und ist mit seiner Achse in der Achse des optischen Resonators in Reihe mit einem selektiv sättigbaren Filter Ab angeordnet.
Das selektiv sättigbare Filter Ab ist ein Absorber mit intensitätsabhängiger Transmission, der aus einer auf einen Glasträger aufgebrachten dünnen Farbschicht oder aber aus einer mit einer geeigneten organischen Farbstofflösung gefüllten Küvette besteht. Sind besonders gute frequenzselektive Sättigungseigenschaften des Filters erwünscht, so ist es sinnvoll, von festen oder flüssigen Absorberstoffem auf gasförmige Absorberstoffe überzugehen. Moleküle in Gasen liefern scharfe Absorptionslinien innerhalb schmaler Frequenzbänder. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die bekannte Erscheinung der sogenannten Selbstabsorption von Spektrallinien in Gasen hingewiesen.

Die erfindungsgemäße Bemessung des optischen Resonators entsprechend der Anordnung nach der F i g. 4 hat, wie 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 Moden höherer Ordnung so vergrößert, daß die transversalen Moden im Sinne ihrer Unterdrückung außerhalb des durch den Grundmode im selektiv sättigbaren Filter Ab bewirkten Sättigungsbereichs zu liegen kommen.

Im Diagramm der F i g. 5 sind über der Frequenz / die Amplituden A der bei einem Resonator entsprechend der Anordnung nach der F i g. 4 existenzfähigen Moden für einen begrenzten Frequenzbereich dargestellt. Die axialen Moden sind hierbei durch verstärkte Linienführung gegenüber den transversalen Moden hervorgehoben. Wie einem Vergleich der Diagramme der F i g. 2 und 3 mit dem Diagramm der F i g. 5 zu entnehmen ist, läßt sich im Gegensatz zu einem ebenen Resonator bei einem allgemein konfokalen Resonator der Abstand der transversalen Moden höherer Ordnung von dem ihnen unmittelbar benachbarten axialen Mode so weit vergrößern, daß den transversalen Moden höherer Ordnung für ihre Anregung der durch den angeregten Grundmode im Filter bewirkte selektive Sättigungsbereich nicht zugute kommen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Unterdrückung von Eigenschwingungen in einem optischen Sender (Laser), dessen optischer Resonator außer dem stimulierbaren Medium einen, selektiv sättigbaren Absorber enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator von zwei sphärischen oder parabolischen konkaven Reflektoren be- ίο grenzt ist und derart aufgebaut ist, daß seine Länge (/) und die Krümmungsradien (/■) der Resonatorspiegel der Beziehung