DE1614647A1

DE1614647A1 - Optischer Molekularverstaerker fuer impulsfoermigen Betrieb

Info

Publication number: DE1614647A1
Application number: DE19591614647
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Rer Nat Die Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-01-28
Filing date: 1959-01-28
Publication date: 1970-07-09
Also published as: DE1614647C3; DE1614647B2

Description

Optischer ITolokularverstärker für impuls-

förnigen Betrieb

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Molekular-

. vcr"z tärkcr für . impulsförnigeiz Betrieb, insbeso:nd.ero. Riesen-

i@:z@t_Ll:@ 1a

dieser Art bestehen aus wenigstens -einem Laser-

-mit -eiileiii op Lischen Ilosoilator, innerhalb dessen

a ktive :L Ivlate r iEll zur.aiiimen mit einem Güteschal-

er, ein sättighares Abiorpti.onsf?.lter, ange-

ordnet ist. Der Güteschalter hat hierbei die Aufgabe, durch

Sperren des optischen Rcsonators eine Inversion des aktiven

hIateriala dürcli die Pumpenergiequelle bis zu senr hohen

Inver sionscrerten zu ermöglichen. In diesem Falle setzt sieh

dünn die gespeicherte Energie bei der rreigabe des optischen

ßesonators durch Schließen des Güteschalters in einen sehr

kurzzeitigen Lichtblitz hoher Spitzenleistung von der Dauer

einiger nNLc um. Im Anschluß an -die .Abgabe eines solchen,

als Riesenimpuls bezeichneten Liehtblit; zes wird zier Güte-

scha lter Vrieder ge:chlos_sen, urn die Ausbildung einer nor-

malen Laaerscll;vinguizg zu verhindern. Als Güteschalter

eignen sich, wie bereits angedeutet worden ist, sättgbare

Absorptioxisfilter,, die bei .iii:-racisen vier In.rersion unter

einen bestimmten fiert viie.äer schließen: Als aktive Materia-

lien '-loninelli bei. solchen Rie senimpulslasern vor allem

Kristale,- bespiels<<teise. Rubin, zur Anvrendung.

,Zur Erzeugung- hoher Spitzenleistungen muß das aktive Mate-

rial.iin Resonator ein relativ großes Volumen aufweisen,

für das dann aLih eine .entsprechend energiereiche DU=p-

auellc @ =rorzus ehen ist. Es s,., t; bekannt, claß sich Riesen-

inpulse auch bei relativ kleinen Material=volumina im@iesa-

nator -dann .verwirklichen lassen, vrenn der eigeistlich-

ha sero:@=.11@:toz -mit eine'rz_ einen Vienaerfeldverstärker dar-

stellenden iiasärverstärk.er kornhiniert viii°cl. Die besonjeru.

Eigenschaf t @@i.nez solchen Anordnung ist darin zu sehn,

daß das Y j u:@gangssignal des Läseröszillätörd den Laservers

st@rl.er berpits nach] kurzer Laufstrecke durch "Übersteuerung

in die Sütt@ung treibt:? Der vom:Zäseroszillätorerzeugte,

deriEingang des

Laserverstärkers 'zugeführte ,

Irrpuls wird .dabei zunächst hinsichtlich seiner Anstiegs-

flanke 11neär verstürlit: Sei. Erreichen des Sättigungspegels

bricht d`ie,`Tnversion'deu Laserverstärkera zusammen. und der:

Im@uld fä.iia uieii all. Durch d 4e Sättigung wird,-mit anderen

Worten, eine Versteilerixig fier -Anstiegsflanke und eine Im-

pulsverkürzung unter gleichzeitiger Erhöhung der Impulsener-

gie erlia teri.: - - , -

bei --relativ kleinen Abmessuii@erz des I:äseros2:illätors und

de: . ihm naehgesehalt.eten Laserverstärkers iat@. es auf diese

Weite #°üglich, bei einer Impulsenergie von 1 Weec einen

Impuls voiz der Dauer-10 nsee zu erzäugen und diesen im

- nachfolgenden -Verstärker auf 10 -bis - 5t? . Wsec zu verstärken.

Dabei tiritt'durch die Sättigung eine Itpulsvet@ürzunb - -

auf eta 015 nsec auf,' was zu -Spitzenleistungen bis - zu

100 Gii, führt. Bei solchen Leistungen wird der Verstärker

nit. Sicherheit in einem Impuls zerstört.

- Bei der Anwendung von Resenimpulslasern für 1aser-Radar

über- große Eitfernungen--wird die üeßgrenze durch Glas

@tiiantenrauschen bestimmt. Für die i@eßbare Entfernung ist

deshalb alleiig die Impulsenergie wichtig. Eine erwünschte -

@ie3rciizc läßt sich daher auch mit ausreichender Auflösung

dann erreichen, -re nnbeigege bene r Impulsenergie durch

eine größere Dauer des Riesenimpulses die Spitzenleistung

@,;ese itlich herabgesetzt ist.* Der Herabsetzung der Spitzen-

=, leistung auf ein eiAräglichee Maß steht entgegen, daß haser-

osüillatoren mit Eiriielilupuls.steuerung bei hoher Impuls-

energie aütomatiseh -Inpülse mit einer Dauer unterhalb

30 nsec erzeugen:. DI:e tättigtingserscheinungen des nachge-

schalteten LaserverBtärltera erzwingen darüber hinaus, wie

bereits erläutert worden st_ eine weitere Impulsverkürzung.

Der Erfindung li-gt die Aufgabe zugrunde, für eine Anordnung

zur Erzeugung von Riesenimpulsen der einleitend beschriebe-

nen Art eine einfache Lösung für die Herabsetzung der Spit-

zenlei2tung unter Wahrung der erreichbaren Verstärkungs-

werte für die Impulsenergie anzugeben.

Ausgehend von ei@:om optischen tilolekularverstärker fü.r impuls-

förnige: Betrieb, insbesondere Rieseiiim:pulslaser, bestehend

aus einem Laseroszillator und einem nachgeschalteten Laser-

verstzrl:er, bei den der Laseroszillator einen optischen

Tiesonator aufweist, innerhalb dessen das gepumpte aktive

Material zusammen mit einerc Güteschalter, vorzugsweise ein

sät+igbäres Aborptionsfilter, angeordnet ist und bei .dem

der LaserverU-tärker von einem weiteren gepumptem aktiven

T,?aterial gebildet ist, wirf diese Aufgabe gemäß .der Erfin-_

düng dadurch gelöst, daß in Richtung der Äusgarigsstrahlung

hinter dem Laseroszllator ein optisches,'die-Däuer eines

Zaserimpulsebegeebener`Impu.aenergie vet-geöaerndes

impulsformendes Glied: angeordnet -ist. - _-

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, Aaß sich die

Vergrößerung der Datier der vöm@ Zäseroszillator- abgebbaren

Iixpulse unter Zuhilfenahme einer geeignet .ausgebildeten

optischen Verzögerungseinrichtung in außerordentlich ein-

facher ;Ncse verwirklichen läßt@

:Das optische- impulsformende Glied kann vorteilhaft-aus

einer Anordnung reflektierender Flächen bestehen, zwischen.

denen die impulsförmige- Oazillatoxausgangsstrahlung umläuft.

Hierbei ist wenigstens eine der- reflektierenden Flächen

teildurchlässig ausgebildete -

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung

besteht das optische impulsformende Glied aus., zwei zuein-

ander parallel angeordneten Spiegeln. Die impulsförmige

Oszillä-torausgangsstrahlung ist in diesem falle in einem

, von 900 äbwe%:ch#.=xtden StrahlweT -auf die

#erii«iii.g

Spi.c@ge lfläüheii 00 a.@.a:;@i te-t 9 daß sie im Zuge der auf-

all `en Spiegelflächen über

(.f.@a ss@....@@f@..l..J..lächen tl.h.n17r,.gviaitde:vxla

Eine solche Spiegelanordnung kann einerseits zwischen dem

Zaseröszillator.und den: Laserverstärker angeordnet sein,

wobei der die teildurchlässigen. Eig nschaften aufweisende

Spiegel auf seiten des Laserverstärkers angeordnet ist.-

Andererseits gibt dieser Grundaufbau für ein solches

Glied aber auch- die Möglichkeit, den Laserverstärker da-

durch in das optische impulsfor!neilde Glied mit einzube-

ziehen, daß die ausgangsseitige Endfläche des den Laser-

verstärker darstellenden gepumpten aktiven Materials als

teildurchlässiger Spiegel ausgebildet wird.

Bei dieser Anordnung ist also der Laserverstärker selbst

in Strahlrielitung zwischen zwei Spiegeln angeordnet. Las

bringt die Gefahr mit sich, daß der Laserverstärker sich

selbst; erregt. :s werden daher zweckmäßig Maßnahmen ge-

troffen, die eine solche Selbsterregung rnit Sicherheit

verhindern. Dies kann in einfacher und vorteilhafter ",'lelse

dadurch geschehen, daß in Zuge des Laserverstärkers zwischen

den beiden Spiegeln zusätzlich ein optischer Schalter,

vorzugsweise ein sättigbares Absorptionsfilters angeord-

t

not wird.

Die bei jeder

arn t=eildurchlässigen Spiegel durch

den W 1 hindun uh Tac@@. außen abi;egebeneii Tezlkomponenteix

(°-'##@T'I:I!!-l:"@3i, ¢fä'@@'n`,=1Lf'`s:ll i? @;ak=r@#e@r,frlb°ü:x` ber(its

vezs t<i3rl:ten Impulses Setzen sieh all der Austrittsstelle

zu (1 en ge-#jüiIschten, in seiner Dauer vergrößerten Impuls

yussmmzai.- Um einen sogenannten i'glatteiz" Impuls zu er-

halten, ist ec sinnvoll , die Laufzeit zwischen zwei auf-

eiiiunderfolgenden Reflexionen der Strahlung. auf der tei7-

tie.we duriäs i@g@t1 Te#e£, :lexivnsfläche kleiner .äle die Dauer

exnsg Priiäilreri'Ziohiivipo.lses zu bemessene

- Eine Weit ere Vo:.#tciihofte w.#ehlte1#L für die Ausbiläung

Onos -aptieehen- irrlxül-sfflrmenden Gliedes.- kann darin beste-

-. üenj- dleu:rs Ulivd- dürci@e'%nen -ron reflektierenden Pläehon

gebildeten Heeonator zu verwirklichen, der für -den Grund-

mode der ilim zugeführten Oszillatorausgsngsstrahlung be--

.niesueil ist.

In alsgei,ieinen ist dic durch Liverson von Energieniveaus

ir=1 a%tiVen @;aterin, unterr.eizdung eines,.ReBonators en-

Zeregt e siiuliert Emi.ssicn nicht auf `üsii Grundmode des

c:oa?uer. heshräit@:_E:@ erfsIgt--velmehr gl.oielazeitig

iläoh eihe -Anr@@a@ cr 'En:seiÜn in irrer gang eh Reihe

G..alr -xüärnfräl.erude ö.:°er -Girdnühg@ Diese

-Anref;,i2ig in .einer..grüßeren- Anzahl verzehedsner--Moden - _

hat c:ihe-ui:rgl@äiäß.e=Delus-Lung d-es nachg,eseha1t--ten=

Lascrverst:r'k@ets über seinen

zur Folge.

Mit'üc-L.-oüt ;auf d.:e hohe -Spitzenleistung, der Impulse . -

einerseits und der damit.verbundenen latenten Gefahr.von-

Materialzusammenbrüchen andererseits und einer erwünschten

optimalen Ausnutzung der Verstärkungseigenschaften des

Laserverstärkers ist es zweckmäßig, den Querschnitt der

impulsförmigen Oszillatorausgangsstrahlung durch beugungs-

begrenzte optische Hilfsmittel, z.B:Blenden, für eine

Sc-Lttigung-des dem laseroszillator nachgeschalteten Laser-

verstärkers über seinen gesamten Querschnitt hinvreg zu

bemessen.

Anhand von-in-der Zgichnung dargestellten Ausführungsbei-

spielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert

werden. In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

' Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Bei der in der Pig. 1: schematisch dargestellten Anordnung

zur Erzeugung von Riesenimpulsen ist das optische impuls-

formende Glied zwischen dem Laseroszillator und dem Läser-

verst ä.ler angeordnet. Der Laseroszillator besteht aus einem

Resonator mit zwei zueinander parallelen Spiegeln So und

So,, zwischen denen in der Achse des optischen Resonators

ein stabförmges gepumptes aktives Material 1`I in Reihe mit

einem sättigbaren Absorber A angeordnet sind. Das aktive.

haterial 14R, beispielsweise ein Rubinstab, wird von einer'

durch Pfeile angedeuteten Pumplichtquelle bis zu hohen

Inversionswerten solange gepumpt,- bis der Absorber A in

SUttigung geht und-damit den Resonator für die Ausbildung

der stimulierten Emission in Form eines Riesenimpulses

freigibt. Der Spiegel So' ist teildurchlässig ausgebildet

und gibt den erzeugten Impuls an das aus zi--tei weiteren

zueinander parallel angeordneten Spiegeln S1 und S1' be-

stehende optische impulsformende Glied ab. Die, Spiegel S1

und S1',_ von denen der Spiegel S1' teildurchlässig ausge-

bildet ist, sind gegen den Ausgangsstrahl des Laser:oszilla-

tors unter einem von 90@ leicht abvreichenden Winkel geneigt,

so daß der Ausgangsimpuls unter ständigen Reflexionen zwi-

chen den beiden Spiegeln über die Spiegelfläche hnvreg:

nach unten auswandert. Während -jeder Reflexion ,am Spiegel

S1 ' wird ein Teil, der Energie des eingekoppelten Ziehtun-

pulsen zu dern.aus dem gepumpten aktiven Material M' beste-

henden, in Strahlrichtung hinter ccm Spiegel S1' angeord-

neten Laserverstärker abgegeben. Sämtliche Teilstrahlen

sind zueinander parallel ausgerichtet und ergeben zusammen:

aufgrund der Laufzeitverzögerung innerhalb des optischen

impulsformenden Gliedes die gewünschte Vergrößerung der

Dauer des Primärimpulses: -_

- Das Ausführungsbeispiel nach der iig. 2 entspricht dem

Ausführungsbeispiel nach der Fig. i finit dem Unterschied,

daß hier der `aus dem gepumpten aktiven Material X' beste-

hende Laserverstärker in das optische impulsformende

Glied mit eizlbe-ogcn ist. Das optische impulsformende

Glied selbst besteht wiederum aus zwei zueinander paralle-

len Spiegeln S2 und S2', von denen der Spiegel S2' teil-

durchlässig ausgebildet und hier die strahlausgangsseitige

Endflüche des aktiven Materials 1',i' bildet. Um zu verhin-

dern, daß die beiden Spiegel S2 und S2' im Sinne 'eines

den Laserverstürker zu Schwingungen anregenden Resonators

wirksam werden können, ist auf seiten des Spiegels S2

zwischen dem Spiegel S2 und dem aktiven Material X' - ' -

ein sättigbarer Absorber A' angeordnet, dessen absorbie-

rendP Eigenschaften so bemessen sind, daß die vom Ausgang

des Laseroszällators in die Spiegelanordnung eingekoppelte

impulsförmigd Laserstrahlung in ihrem gesamten Strahlver-

lauf zwischen den Spiegeln S2 und, S2' den Absorber A'

in die Sättigung überführt.

Bei der Anordnung nach der F ig. 3, bei der das optische

impulsformende Glied entsprechend der Ausführungsform

nach der Fig. 1 wiederum zvrischen dem Laseroszillator

und dem Laserverstärker angeordnet ist, bilden die beiden

zueinander parallelen Spiegel S3 und 33' einen Reeone#tor?

der für den Grundmode der vom haseraszillator erzeugten

impuluförinigen tlusgangsstrahlung -bemessen ist. Auch .dieses

iripiilstörniende -Glied leistet eine Vergrößerung der Dauer

den frimärinipulzesdi.e hier--durch-das Abklingen der in -

den Resönator eingekoppelten Energie auf -Grund der über

dein, teildurchlässigen Spiegel S31- an den Laserverstärker

abgegebenen Strahlung bestimmt ist. -

Vie bereits eri:enit worden ist,. kann die Sättigung des

Zaserverotfrkero über seinen ,gesamten Quers.ehni,.Gt@ hinweg

dudurc1. erreich; bzw. verbessert werden, daß die -Oszilla-

torausgangsstrahlung modenselektven, die Beugung der

Strohlung begrenzenden optischen Hilfsmitteln, wie Blenden;

Linnen .oder Ken inationen hiervon,z.aus.gesetzt wird. Diese

optischen Hilfsmittel werden, bezogen auf die erläuterten

- Ausführungsbeispiele nach: den Fig. 1 bis 39 innvöll

- zwischen dem impulsformenden Glied und dem laseroszilla-

tcir vorgesehen. Heim Ausführungsbeispiel :nach der Fig. 3

können zusätzlich weitere optische Hilfsmittel. dieser Art

zwischen deri aus den Spiegeln S3 -und S3'. gebildeten Reso-

nator und dein Laserverstärker vorgesehen-sein.-

t

Claims

F a t e ti t a: n s p v ü . a h e 1'. Optischer Pdolekularverstärker für impulsförmigen Betrieb, insbesondere Rie enimpulslaser, beätehend aus einem Zaseroszillatnr und-einem nachgeschalteten Laserver- stärker, bei dem der Laseroszillator einen optischen - ßesonator aufweist, innerhalb dessen da-s gepumpte akti- ve Material zusammen mit einem Güteschalter, vorzugs- ticise ein sättigbares Absorptionsfilter, angeordnet ist und bei dem der Laserverstärker von einem weiteren ge- pumpten aktiven Material gebildet ist, dadurch gekenn- zeicliiiet,,: daß in Richtung der Ausgangss-Wahlung hinter alert Laserosziilator ein Optisches, die-Dauer eines Laserimpulses bei gegebener Impulsenergie vergrößerndes impulsformendes Glied angeordnet ist. 2. Optischer l-,folcltularvera-tirker nach Anspruch j , dadurch gekennzeichnet, daß das optische impulsformende Glied aus einer Anordnung reflektierender Flächen besteht, zwischen deiieü die impulsförmige Oszillatorausgangs- strahlung umläuft, und daß wenigstens eine dem reflek- tierenden 1'lächen teildurchlässig ausgebildet ist. 3. Optischer Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische impulsformende Glied aus zwei zueinander parallel angeordneten Spiegeln (S1, S1 ") besteht und aaß die impulsförmige Oszillator-

auegangsstrah'lung il i einem geringfügig von-900 abwei- chenden- Strahli@rinlcel auf die Sp:-.egelf läehen äo ausge- richtet ist, da13 sie im Zuge der aufoinandorfolgenden Reflexionen an den Spiegelflachen über die Spiegel- flächen hinvregwandern: . -. Optischer. Molekularverstärker,nach Anspruch 32 : dadurch gekennzeichnet, daß der Laserverstärker in das optische . impulsformende Glied dadurch mit einbezogen ist, daß aas die ausgangsscit-gc Endfläche des den.laserverstär- ker darstellenden gepumpten aktiven Materials -als teil- durchlässiger Spiegel (S2') - des aus zwei zueinander pärallelen Spiegeln (S2, S2') bestehenden Optischen impulsformenden Gliedeis ausgebildet ist. 5. Opt-s@her Nolekulerverstärker, @Aach Anspruch 4, dadurch gekeri17;el:chnet, daß im Zuge des haserveratärkere ein Schcringün$e-n des Laserverstärkers (X')-unterdrückender optischer -Schalter; vorzugsteise ein sättigbares Ab- sorptionafilteangeordnet ist: - 6. Optischer Molekularveratärker nach einem der Ansprüche 1' bis dadurch gekennzeichnet,- daß das optische irnpulsformendeGled z@viachen dem räeeroseillator und dem haservers-tärker (MY) ang-eo'dnet . istt

7. Optischer I,Iolelzularverstärker nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische impulsformende Glied für eine Laufzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen der impulsförmigen 0 szillatorstrahlung auf der teilweise durchlässigen Reflexionsfläche kleiner als die Dauer eines primären Lichtimpulses bemessen ist. B. Optischer Molekularverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische impulsformende Glied ein von reflektierenden Flächen gebildjter Resonator ist, der für den Grundmode der ihm zugeführten Oszillatorausgangsstrahlung bemessen ist. 9. Optischer Molekularverstärker nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch"gekennzeichnet, daß der Querschnitt der impulsförmigen Oszillatorausgangsstrah- lung durch beugungsbegrenzte optische Hilfsmittel, z.E. Blenden, für eine Sättigung des dem Laseroszillator nachge oehalteten Laserverstärkers (AI') über seinen ge- samten Querschnitt hinweg bemessen ist.