DE1614647B2

DE1614647B2 -

Info

Publication number: DE1614647B2
Application number: DE19591614647
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys.Dr.Rer.Nat. 8000 Muenchen Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-01-28
Filing date: 1959-01-28
Publication date: 1973-10-11
Also published as: DE1614647C3; DE1614647A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender (Laser) für impulsförmigen Betrieb, insbesondere Riesenimpulslaser.

Anordnungen dieser Art weisen wenigstens einen Laseroszillator mit einem optischen Resonator auf, innerhalb dessen das angeregte stimulierbare Medium zusammen mit einem Güteschalter, vorzugsweise einem sättigbaren Absorptionsfilter, angeordnet ist. Der Güteschalter hat hierbei die Aufgabe, durch Sperren des optischen Resonators eine Inversion des stimulierbaren Mediums durch die Anregungsenergiequelle bis zu sehr hohen Inversionswerten zu ermöglichen. In diesem Falle setzt sich dann die gespeicherte Energie bei der Freigabe des Lichtwegs im optischen Resonator durch Schließen des Güteschalters in einen sehr kurzzeitigen Lichtblitz hoher Spitzenleistung von der Dauer einiger nsec um. Im Anschluß an die Abgabe eines solchen, als Riesenimpuls bezeichneten Lichtblitzes wird durch Öffnen des Güteschalters der Lichtweg wieder unterbrochen, um die Ausbildung einer normalen Laserschwingung zu verhindern. Als Güteschalter eignen sich, wie bereits angedeutet worden ist, sättigbare Absorptionsfilter, die bei Abfallen der Inversion unter einen bestimmten Wert den Lichtweg wieder unterbrechen. Als stimulierbare Medien kommen bei solchen Riesenimpulslasern vor allem Kristalle, beispielsweise Rubin, zur Anwendung.

Zur Erzeugung hoher Spitzenleistungen muß das stimulierbare Medium im Resonator ein relativ großes Volumen aufweisen, für das dann auch eine entsprechend energiereiche Anregungsquelle vorzusehen ist. Es ist beispielsweise durch die Literaturstelle Röß: »Laser, Lichtverstärker und Oszillatoren«, Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt/Main, 1966, S. 398 und 399, bekannt, daß sich Riesenimpulse auch bei relativ kleinen Materialvolumina im Resonator dann verwirklichen lassen, wenn der eigentliche Laseroszillator mit einem einen Wanderfeldverstärker darstellenden Laserverstärker kombiniert wird. Die besondere Eigenschaft einer solchen Anordnung ist darin zu sehen, daß das Ausgangssignal des Laseroszillators den Laserverstärker bereits nach kurzer Laufstrecke durch Übersteuerung in die Sättigung treibt. Der vom Laseroszillator erzeugte, dem Eingang des nachgeschalteten Laserverstärkers ; zugeführte Impuls wird dabei zunächst hinsichtlich seiner Anstiegsflanke linear verstärkt. Bei Erreichen des Sättigungspegels bricht die Inversion des Laserverstärkers zusammen, und der Impuls fällt steil ab. Durch die Sättigung wird, mit anderen Worten, eine steilere Anstiegsflanke und eine Impulsverkürzung

unter gleichzeitiger Erhöhung der Impulsenergie erhalten.

Bei relativ kleinen Abmessungen des Laseroszillators und des ihm nachgeschalteten Laserverstärkers ist es auf diese Weise möglich, bei einer Impulsenergie von 1 Wsec einen Impuls von der Dauer 10 nsec zu erzeugen und diesen im nachfolgenden Verstärker auf 10 bis 50 Wsec zu verstärken. Dabei tritt durch die Sättigung eine Impulsverkürzung auf etwa 0,5 nsec auf, was zu Spitzenleistungen bis zu 100 GW führt. Bei solchen Leistungen wird der Verstärker mit Sicherheit durch einen Impuls zerstört.

Bei der Anwendung von Riesenimpulslasern für Laser-Radar über große Entfernungen wird die Meßgrenze durch das Quantenrauschen bestimmt. Für die meßbare Entfernung ist deshalb allein die Impulsenergie wichtig. Eine erwünschte Meßgrenze läßt sich daher auch mit ausreichender Auflösung dann erreichen, wenn bei gegebener Impulsenergie durch eine größere Dauer des Riesenimpulses die Spitzenleistung wesentlich herabgesetzt ist. Der Herabsetzung der Spitzenleistung auf ein erträgliches Maß steht entgegen, daß Laseroszillatoren mit Einzelimpulssteuerung bei hoher Impulsenergie automatisch Impulse mit einer Dauer unterhalb 30 nsec erzeugen. Die Sättigungserscheinungen des nachgeschalteten Laserverstärkers erzwingen darüber hinaus, wie bereits erläutert worden ist, eine weitere Impulsverkürzung. Durch die bereits genannte Literaturstelle ist es zwar bereits bekannt, die Impulsdauer durch Verwendung eines Resonators zu verwirklichen, dessen Spiegelabstand groß gegenüber der Materiallänge ist. Diese Lösung hat den Nachteil, daß sie einen ganz speziell bemessenen Oszillator voraussetzt. Außerdem steht sie einem stets erwünschten kompakten Aufbau der Gesamtanordnung entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Anordnung zur Erzeugung von Riesenimpulsen der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung für die Herabsetzung der Spitzenleistung unter Wahrung der erreichbaren Verstärkungswerte für die Impulsenergie anzugeben, die eine spezielle Bemessung des Oszillators vermeidet und einen kompakten konstruktiven Aufbau ermöglicht.

Ausgehend von einem optischen Sender (Laser) für impulsförmigen Betrieb auch mit Riesenimpulsen mit einem Oszillator und einem optischen Nachverstärker, bei dem das stimulierbare Medium des Oszillators zusammen mit einem Absorber-Güteschalter in einem optischen Resonator angeordnet ist und dessen stimulierbares Medium des optischen Nachverstärkers aus einem dem stimulierbaren Medium des Oszillators entsprechenden Material gebildet ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zum Zweck einer Impulsdehnung bei gegebener Impulsenergie in Ausstrahlungsrichtung unmittelbar hinter dem teildurchlässigen Resonatorspiegel des Oszillators ein optisches Glied angeordnet ist, dessen Abmessungen derart gewählt sind, daß es von dem zu dehnenden Impuls während eines Durchgangs in kürzerer Zeit durchlaufen wird, als die Dauer des primären Impulses bemessen ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die Vergrößerung der Dauer der vom Laseroszillator abgebbaren Impulse unter Zuhilfenahme einer geeignet ausgebildeten optischen Verzögerungseinrichtung in außerordentlich einfacher Weise verwirklichen läßt.

Das optische impulsdehnende Glied kann vorteilhaft aus einer Anordnung reflektierender Flächen bestehen, zwischen denen die impulsförmige Oszillatorausgangsstrahlung umläuft. Hierbei ist wenigstens eine der reflektierenden Flächen teildurchlässig ausgebildet und die Laufzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen kleiner als die Dauer eines primären Lichtimpulses bemessen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der

ίο Erfindung besteht das optische impulsdehnende Glied aus zwei zueinander parallel angeordneten, im Verhältnis zum Strahlquerschnitt großflächigen Spiegeln. Die impulsförmige Oszillatorausgangsstrahlung ist in diesem Falle in einem geringfügig von 0° abweichenden Einfallswinkel auf die Spiegelflächen so ausgerichtet, daß sie im Zuge der aufeinanderfolgenden Reflexionen zickzackförmig quer zur optischen Achse über die Spiegelflächen hinwegwandern.
' Eine solche Spiegelanordnung kann einerseits zwi-

ao sehen dem Laseroszillator und dem optischen Nachverstärker angeordnet sein, wobei der die teildurchlässigen Eigenschaften aufweisende Spiegel auf Seiten des optischen Nachverstärkers angeordnet ist. Andererseits gibt dieser Grundaufbau für ein solches Glied aber auch die Möglichkeit, den optischen Nachverstärker dadurch in das optische impulsdehnende Glied mit einzubeziehen, daß die ausgangsseitige Stirnfläche des den optischen Nachverstärker darstellenden stimulierbaren Mediums als teildurchlässiger Spiegel des aus zwei zueinander parallelen Spiegeln bestehenden impulsdehnenden Gliedes ausgebildet wird.

Bei dieser Anordnung ist also der optische Nachverstärker selbst in Strahlrichtung zwischen zwei Spiegeln angeordnet. Das bringt die Gefahr mit sich, daß der optische Nachverstärker sich selbst erregt. Es werden daher zweckmäßig Maßnahmen getroffen, die eine solche Selbsterregung mit Sicherheit verhindern. Dies kann in einfacher und vorteilhafter Weise dadurch geschehen, daß im Zuge des optischen Nachverstärkers ein dessen Selbsterregung unterdrückender optischer Schalter als sättigbares Absorptionsfilter angeordnet wird.

Die bei jeder Reflexion am teildurchlässigen Spiegel durch den Spiegel hindurch nach außen abgegebenen Teilkomponenten des primären, gegebenenfalls im optischen Nachverstärker bereits verstärkten Impulses setzen sich an der Austrittsstelle zu dem gewünschten, in seiner Dauer vergrößerten Impuls zusammen.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit für die Ausbildung eines optischen impulsdehnenden Gliedes kann darin bestehen, diese Glied durch einen von reflektierenden Flächen gebildeten Resonator zu verwirklichen, der für die Grundschwingungsform der ihm zugeführten Oszillatorausgangsstrahlung bemessen ist.

Im allgemeinen ist die durch Inversion von Energieniveaus im stimulierbaren Medium unter Verwendung eines Resonators angeregte kohärente Strahlung nicht auf die Grundschwingungsform des Resonators beschränkt. Es erfolgt vielmehr gleichzeitig noch eine Anregung der Emission in einer ganzen Reihe axialer und transversaler Schwingungsformen höherer Ordnung. Diese Anregung in einer größeren Anzahl verschiedener Schwingungsformen hat eine ungleichmäßige Belastung des nachgeschalteten optischen Verstärkers über seinen Querschnitt zur Folge.

Mit Rücksicht auf die hohe Spitzenleistung der Im- Laufzeitverzögerung innerhalb des optischen impulspulse einerseits und der damit verbundenen latenten dehnenden Gliedes die gewünschte Vergrößerung der Gefahr von Materialzusammenbrüchen andererseits Dauer des Primärimpulses.

und einer erwünschten optimalen Ausnutzung der Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 entspricht

Verstärkungseigenschaften des optischen Nachver- 5 dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 mit dem Un-

stärkers ist es zweckmäßig, den Querschnitt der im- terschied, daß hier der aus dem stimulierbaren Medi-

pulsförmigen Oszillatorausgangsstrahlung durch beu- um M' bestehende Nachverstärker in das optische

gungsbegrenzte optische Hilfsmittel, z.B. Blenden, impulsdehnende Glied mit einbezogen ist. Das opti-

f ür eine Sättigung des optischen Nachverstärkers über sehe impulsdehnende Glied selbst besteht wiederum

seinen gesamten Querschnitt hinweg zu bemessen. io aus zwei zueinander parallelen Spiegeln S 2 und 5 2',

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Aus- von denen der Spiegel S 2' teildurchlässig ausgebildet

führungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden und hier die strahlausgangsseitige Stirnfläche des sti-

noch näher erläutert werden. In der Zeichnung be- mulierbaren Mediums M' bildet. Um zu verhindern,

deuten daß die beiden Spiegel 52 und S 2' im Sinne eines

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin- 15 den Nachverstärker zu Schwingungen anregenden

dung, Resonators wirksam werden können, ist auf Seiten

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der des Spiegels S 2 zwischen dem Spiegel 5 2 und dem

Erfindung, stimulierbaren Medium M' ein sättigbarer Absor-

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach·der ber^l' angeordnet, dessen absorbierende Eigenschaf-Erfindung. 20 ten so bemessen sind, daß die vom Ausgang des

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten An- Laseroszillators in die Spiegelanordnung eingekopordnung zur Erzeugung von Riesenimpulsen ist das pelte impulsförmige Laserstrahlung in ihrem gesamoptische impulsdehnende Glied zwischen dem Laser- ten Strahlverlauf zwischen den Spiegeln 5 2 und S 2' Oszillator und dem Nachverstärker angeordnet. Der den Absorber^'in die Sättigung überführt.
Laseroszillator besteht aus einem Resonator mit zwei 25 Bei der Anordnung nach Fig. 3, bei der das optizueinander parallelen Spiegeln So und So', zwischen sehe impulsdehnende Glied entsprechend der Ausdenen in der Achse des optischen Resonators ein führungsform nach F i g. 1 wiederum zwischen dem stabförmiges stimulierbares Medium M in Reihe mit Laseroszillator und dem optischen Nachverstärker einem sättigbaren Absorber^ angeordnet ist. Das angeordnet ist, bilden die beiden zueinander parallestimulierbare Medium M, beispielsweise ein Rubin- 30 len Spiegel 5 3 und 53' einen optischen Resonator, stab, wird von einer durch Pfeile angedeuteten Anre- der für die Grundschwingungsform der vom Lagerosgungslichtquelle bis zu hohen Inversionswerten so zillator erzeugten impulsförmigen Ausgangsstrahlung lange angeregt, bis der Absorber A in Sättigung geht bemessen ist. Auch dieses impulsdehnende Glied lei- und damit den Resonator für die Ausbildung der sti- stet eine Vergrößerung der Dauer des Primärimpulmulierten Emission in Form eines Riesenimpulses 35 ses, die hier durch das Abklingen der in den Resonafreigibt. Der Spiegel So' ist teildurchlässig ausgebil- tor eingekoppelten Energie auf Grund der über den det und gibt den erzeugten Impuls an das aus zwei teildurchlässigen Spiegel 5 3' an den Nachverstärker weiteren zueinander parallel angeordneten Spiegeln abgegebenen Strahlung bestimmt ist.
51 und 5 V bestehende optische impulsdehnende Wie bereits erwähnt worden ist, kann die Sättigung Glied ab. Die Spiegel 51 und 51', von denen der 40 des Nachverstärkers über seinen gesamten Quer-Spiegel 51' teildurchlässig ausgebildet ist, sind gegen schnitt hinweg dadurch erreicht bzw. verbessert werden Ausgangsstrahl des Laseroszillators unter einem den, daß die Oszillatorausgangsstrahlung schwinvon 90° leicht abweichenden Winkel geneigt, so daß gungsformselektiven, die Beugung der Strahlung beder Ausgangsimpuls unter ständigen Reflexionen grenzenden optischen Hilfsmitteln, wie Blenden, Linzwischen den beiden Spiegeln über die Spiegelfläche 45 sen oder Kombinationen hiervon, ausgesetzt wird, hinweg nach unten auswandert. Während jeder Re- Diese optischen Hilfsmittel werden, bezogen auf die flexion am Spiegel 51' wird ein Teil der Energie des erläuterten Ausführungsbeispiele nach F i g. 1 bis 3, eingekoppelten Lichtimpulses zu dem aus dem stimu- sinnvoll zwischen dem impulsdehnenden Glied und lierbaren Medium M' bestehenden, in Strahlrichtung dem Lageroszillator vorgesehen. Beim Ausführungshinter dem Spiegel 51' angeordneten optischen 50 beispiel nach F i g. 3 können zusätzlich weitere opti-Nachverstärker abgegeben. sehe Hilfsmittel dieser Art zwischen dem aus den

Sämtliche Teilstrahlen sind zueinander parallel Spiegeln 5 3 und 5 3' gebildeten Resonator und dem

ausgerichtet und ergeben zusammen auf Grund der Nachverstärker vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender (Laser) für impulsförmigen Betrieb auch mit Riesenimpulsen mit einem Oszillator und einem optischen Nachverstärker, bei dem das stimulierbare Medium des Oszillators zusammen mit einem Absorber-Güteschalter in einem optischen Resonator angeordnet ist und dessen stimulierbares Medium des optischen Nachverstärkers :aus einem dem stimulierbaren Medium des Oszillators entsprechenden Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer Impulsdehnung bei gegebener Impulsenergie in Ausstrahlungsrichtung unmittelbar hinter dem teildurchlässigen Resonatorspiegel (So') des Oszillators ein optisches Glied (Sl, Sl'; 52, S2'; 53, S3') angeordnet ist, dessen Abmessungen derart gewählt sind, daß es von dem zu dehnenden Impuls während eines Durchgangs in kürzerer Zeit durchlaufen wird, als die Dauer des primären Impulses bemessen ist.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsdehnende optische Glied (S₁, S₁'; S₂, S₂'; S₃, S₃') aus einer Anordnung reflektierender Flächen besteht, zwischen denen die impulsförmige Oszillatorausgangsstrahlung umläuft, und daß wenigstens eine der reflektierenden Flächen teildurchlässig ausgebildet ist und die Laufzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen kleiner als die Dauer eines primären Lichtimpulses bemessen ist.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsdehnende optische Glied aus zwei zueinander parallel angeordneten, im Verhältnis zum Strahlquerschnitt großflächigen Spiegeln (S 1, S1') besteht und daß die impulsförmige Oszillatorausgangsstrahlung in einem geringfügig von 0° abweichenden Einfallswinkel auf die Spiegelflächen (S 1, S V) so ausgerichtet ist, daß sie im Zuge der aufeinanderfolgenden Reflexionen zickzackförmig quer zur optischen Achse über die Spiegelflächen (Sl, Sl') hinwegwandern.

4. Optischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Nachverstärker in das optische impulsdehnende Glied (S 2, S 2') dadurch mit einbezogen ist, daß das die ausgangsseitige Stirnfläche des den optischen Nachverstärker darstellenden stimulierbaren Mediums (M') als teildurchlässiger Spiegel (S 2') des aus zwei zueinander parallelen Spiegeln (S 2, S 2') bestehenden optischen impulsdehnenden Gliedes ausgebildet ist. *

5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des optischen Nachverstärkers ein dessen Selbsterregung unterdrückender optischer Schalter als sättigbares Absorptionsfilter (A') angeordnet ist.

6. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische impulsdehnende Glied (S₁, S₁' und S3, S 3') zwischen dem Oszillator und dem optischen Nachverstärker angeordnet ist.

7. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische impulsdehnende Glied ein von reflektierenden Flächen (S3, S3') begrenzter optischer Resonator ist, der für die Grundschwingungsform der ihm zugeführten Oszillatorausgangsstrahlung bemessen ist.

8. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der impulsförmigen Oszillatorausgangsstrahlung durch beugungsbegrenzte optische Hilfsmittel, z. B. Blenden, für eine Sättigung des optischen Nachverstärkers (M') über seinen gesamten Querschnitt hinweg bemessen ist.