DE1816337A1

DE1816337A1 - Laseranordnung fuer hohe Pulsfrequenzen

Info

Publication number: DE1816337A1
Application number: DE19681816337
Authority: DE
Inventors: Junzo Hirano; Tatsuya Kimura
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1967-12-25
Filing date: 1968-12-21
Publication date: 1969-11-13
Also published as: GB1255807A; DE1816337B2; NL144452B; NL6818671A

Description

™ 60,APOiIoWCg^TiLJZaZ₄₃ 29/O03~Dr. Hk/cs

Nippon Telegraph und Telephone Public Corporation, Tokyo/japan

Laseranordnung für hohe Pulsfrequenzen

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung, die in stabiler Weise Lichtimpulse mit beliebiger hoher Pulsfrequenz innerhalb der Frequenzbandbreite des Lasermaterials erzeugt, und zwar unabhängig von der Länge des verwendeten Lasermaterials*

Durch die·Entwicklung des Lasers ist es möglich geworden, Nachrichten mit sehr hoher Trägerfrequenz zu übertragen, so daß eine große Anzahl von Informationen gleichzeitig übermittelt werden kann. Für eine solche optische Nachrichtenverbindung ist die Pulscodemodulation (PCM) am besten geeignet. Die von den Impulsen übermittelte Informationsmenge ist proportional zur ™ Pulsfrequenz, also zur Wiederholungsfrequenz der Impulse. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Laseranordnung zur Verfügung zu stellen, die kräftige Lichtimpulse mit hoher Wiederholungsfrequenz in stabiler Weise erzeugen kann, so daß die Möglichkeiten der im optischen Bereich liegenden Trägerfrequenz für Nachrichtenübermittlungen voll ausgenutzt werden können.

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Bin Laser ist bekanntlich ein Lichtverstärker, der auf stimulierter Emission beruht. Voraussetzung hierfür ist ein Lasermedium, das mindestes zwei Energiezustände der Atome oder Moleküle hat, wobei die Besetzungsdichte des' höheren Energiezustandes größer als diejenige des niedrigeren Zustandes ist. Diese Energieverteilung kann beispielsweise durch Bestrahlung des Mediums mit Licht von einer anderen Lichtquelle oder im Falle eines gasförmigen Mediums durch eine Gasentladung erzielt werden. Die Anregung des höheren Energiezustanfes wird allgemein als "pumpen" bezeichnet.

Ferner gehört zu einem Laser bekanntlich ein optischer Hohlraumresonator, dessen Abmessungen mehrere hunderttausendmal so groß wie die beim übergang aus den oberen in den unteren Energiezustand erzeugte Resonanzwellenlänge ist. Meist wird als Hohlraumresonator eine Anordnung mit zwei einander gegenüberstehenden Spiegeln verwendet, die dem Fabry-Perot Interferometer entspricht. Das Lasermedium befindet sich zwischen den beiden Spiegeln und ein . Teil der Schwingenergie kann dann dem Hohlraumresonator entnommen werden, um den Laserstrahl zu bilden.

Da die Länge des optischen Hohlraumresonators weit größer als die Schwingwellenlänge des erzeugten Lichtes ist, ist die Laseranordnung grundsätzlich in zahlreichen Moden anregbar. Da also in der Laseranordnung im allgemeinen eine Anzahl von Schwingzuständen gleichzeitig existiert, werden elektromagnetische

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Wellen mit einer Anzahl von Schwingfrequenzen erzeugt* Der Frequenzabstand der einzelnen Schvingmoden ist gegeben

durch den Aufdruck q/2L. Hier bedeutet c die Lichtgeschvin-digkeit in freien Raum und L die optische Weglänge des Hohlraumresonators, j din gleich dem Produkt der geometrischen Länge des Mediums mit ι seinem Brechungsindex ist. Der Laser schwingt also gleichzeitig in (äiner Anzahl von Moden, deren Abstand den Wert c/2L hat und die durch die Frequenebandbreite des Lasers begrenzt sind«

Bin solcher Modus vird allgemein als axialer Modus bezeichnet. ^ Venn ein verlustbehafteter Modulator in einen Resonator einge-

führt vird und der Laserstrahl dadurch mit der Frequenz c/2L moduliert vird· so verden die betreffenden Schvingmoden ebenfalls moduliert und es verden dadurch Seitenbänder erzeugt, deren Abstand von der betreffenden Modusfrequenz ebenfalls c/2L beträgt (siehe den Artikel "Locking of He-Ne Laser Modes Induced by Synchronous Intracavity Modulation" von L.E. Hargrove, R.L. Fork und M.A. Pollack, Journal of Applied Physics Letters, Band 5,1964, Seite 4)· Die einzelnen Moden des Lasers erzeugen also Seitenbänder, die den Frequenzen benachbarter Moden entsprechen. Wenn die Amplitude der Seitenbänder genügend groß ist, d.h. die Amplitude einen Schvellenvert übersteigt, befinden sich die betreffenden Moden in dem bekannten phasensynchronisierten Zustand. In diesem phasensynchronisierten Zustand vird eine Gruppe regelmäßiger Lichtimpulse mit einer Pulsfrequenz

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.von c/2L erzeugt.

Das hier verwendete Modulationsprinsip ist aber nicht auf einen verlust behafteten Modulator, beschränkt, sondern kann tuch im"'. · · -'"** Falle eines Phasenmodulators angesandt verden (siehe din Artikel* }|J «Theory of FM.. Laser Oscillation" von 8·Β· Harris und 0.P* Ma IHÜPfk I.E.E.E., Journal of Quantum Electronics, Seite 245, Band QB-I ,· L' 1965)· Diese Synchronisierung benachbarter Moden vird auch als, "mode-locking" (Modenkopplung) bezeichnet. *,.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, ist die Wiederholungsfrequenz der optischen Ausgangsimpulse durch die optische Weg* \ länge L des Hohlraumresonators begrenzt. Um eine hohe Pulsfrequenz zu erzielen, muß also die optische Weglänge L klein | gemacht verden. Um z.B. eine Pulsfrequenz von 2QHz zu erhalten, muß die optische Weglänge L zu 7,5 cm gevählt verden. Andererseits hängen die Lichtverstärkung und die Ausgangsleistung von der Länge des Lasermediums ab und es hat sich gezeigt, daß bei der angegebenen: kurzen Weglänge keine genügend hohe Ausgangsleistung erzielt verden kann, ja daß nicht einmal eine stabile Schvingungsanregung möglich ist. So vurde festgestellt, daß bei Vervendung eines He-Ne-Gaslasers mit für Schvingungsanregung und genügende Ausgangsleistung ausreichender Länge die Pulsfrequenz auf 150 - 200 MHz beschränkt ist. Eine solche lägerfrequenz bringt keine entscheidenden Vorteile gegenüber be- ' kannten drahtlosen Übertragungseinrichtungen, so daß der ,'

Einsatz von Laseranordnungen fir Nachrichtenzwecke hierdurch \

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BAD ORIGINAL

nicht gerechtfertigt erscheint.

' Nun ist in einem Artikel "Mode-rlocking effects in an internally modulated ruby laser" von T. Deutsch in "Applied Physics Letters», Band 7, Nr. 4, 15. August 1965, Seite 80 bis 82 eine Laseranordnung beschrieben, bei der eine Phasensynchronisation mittels eines im optischen Hohlraurassonator angebrachten Modulators erzielt wird. Wenn die Modulationsfrequenz des Modulators gleich einem ganzen Vielfachen des Axialmodenabstandes ist, so soll nach der Behauptung von Deutsch ein Puls erzeugt werden, dessen Wiederholungsfrequenz gleich der Modulationsfrequenz ist.

Bs läßt sich aber zeigen, daß diese Behauptung, die experimentell nicht bestätigt werden konnte, falsch ist. Ist nämlich die Modulationirequenz p(c/2L), wobei ρ eine positive ganze Zahl ist, so haben die beiden Seitenbänder eines Modus von der Modenfrequenz den Abstand p(c/2L)·. Deshalb kann jeder p-Modus mit jedem anderen gekoppelt werden, aber die anderen benachbarten Moden lassen sich mittels der Modulation nicht miteinander koppeln. Somit ist die Pulsfrequenz des Ausgangspulses nicht auf die Frequenz von p(c/2L) beschränkt. Diese Tatsache läßt sich aufgrund der von Hargrove und Mitarbeitern verwendeten Verlustmodulation leicht verstehen.

•Ist z.B. p=6, so bewirkt die Verlustmodulation mit der Frequenz 6(c/2L)_f daß in Zeitabständen von i/6(2L/c) der Modulationsver-

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lust ein Minimum ist. Es besteht deshalb die Möglichkeit, daß in genau der gleichen Weise, in der Lichtimpulse mit der Pulsfrequenz 6(c/2L) auftreten, drei Pulsarten, deren Frequenzen einmal, zweimal oder dreimal c/2L sind, erhalten werden. Der experimentelle Befund bestätigt diese theoretische Überlegung. Die jeweils erzeugte Pulsart wird bestimmt durch die Beziehungen der Modulationsfrequenz zu ungleichmäßigen Schwingungsmodenabständen, die durch Zieherscheinungen infolge der Dispersion des Lasermediums hervorgerufen werden. Da infolgedessen die Art des jeweils auftretenden Pulses mit den kleinsten Änderungen im Lichtweg, der Modulationsfrequenz oder der Dispersion des Lasermediums schwankt, ist es unmöglich, einen stabilen Impuls mit einer Pulsfrequenz, die einem ganzen Vielfachen des Axialmodenabstandes gleich ist, zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Laseranordnung so zu verbessern, daß sie einen außerordmtlich stabilen Lichtpuls aussenden kann, dessen Pulsfrequenz ein ganzes Vielfaches des Modenabstandes c/2L ist. Dadurch soll es ermöglicht werden, stabile Lichtimpulse hoher Pulsfrequenz mit kräftiger Ausgangsleistung zu erzielen, indem ein Lasermaterial großer Längsabmessungen verwendet wird, das ausreichende Verstärkung und ausreichende Ausgangsleistung für die Verwendung in der Praxis aufweist.

Die Erfindung <eht aus von der bekannten Laseranordnung mit einem

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aktiven Medium, das zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission imstande ist und «ich «wischen zvei Hauptspiegeln befindet, dl· einen optischen Hohlraumresonator bilden, zur Brseugung von Lichtittpulsen mit hoher Pulsfrequenz und hoher Leistung ist es er*indungsgemäß vorgesehen, den Gütefaktor des Hohlraumresonator innerhalb der 8chvingungsbandbreite des Lasers hinsichtlich der Lichtfrequent periodisch zu ändern und gleichseitig den entstehenden Lichtstrahl mit einer Frequenz SU modulieren, die ein ganzes vielfaches des Axialmodenab- Λ Standes des Hohlrauraresonators ist, und svar derart, daß die Modulationsamplitude einen Schvellenvert übersteigt, bei dem sich entsprechende Phasen einer im Axialmodus schvingenden elektromagnetischen Welle einander synchronisieren können.

Vorsugsveise ist hierzu ein Strahlenteiler im Lichtveg zvischen den beiden Hauptspiegeln vorgesehen. Bei einer Ausführungsform fallen die optischen Achsen des von dem Strahlenteiler reflektierten etrahls und des von ihm durdhgelassenen Strahls mit der durch die beiden Hauptspiegel definierten optischen Achse zusammen. Bei einer anderen Ausführungsform bildet der reflektierte oder der durchgelassene Strahl einen Winkel mit der optischen Achse und füllt auf einen außerhalb der optischen Achse derart angebrachten Hilfsspiegel, daß er von diesem und dem Strahlenteiler in Richtung der optischen Achse reflektiert vird.

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Nachstehend vird anhand der Zeichnung gezeigt, daß diele Anordnung die gestellte Aufgabe löst. In der Zeichnung sind

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Valens der

Erfindung;

■ ι

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem He-NeH3aslaser in sahematischer Darstellung; . <

Fig. 3 eine Darstellung des Verlaufs des Gütefaktors eines optischen Hohlraumresonators gemäß der Erfindung}

Fig. 4 eine Darstellung des Verlaufs der Lichtemission der erfindungsgemäßen Laseranordnung;

Fig. 5 und 6 Darstellungen der Verteilung der Modenspektren vährend der Impulserzeugung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine teilveise scheraatische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, unter Vervendung eines Festkörperlasers und

Fig. 8-10 schematische Darstellungen veiterer Ausftihrungsformen der Erfindung.

Fig. 1 eeigt (fen grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Ein Lasermedium 1 befindet sich zvischen zvei Hauptspiegeln 2 und 2', deren Reflexionsvermögen innerhalb

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-,der verwendeten achwingungsbandbreite des Lasers möglichst konstant bleibt. Zwischen den beiden Hauptspiegeln befinden sich außerdem Lasermedium ein optischer Modulator 3 zur Modulation der hindurchgehende Lichtstrahl und ein Strahlenteiler 4. Der Strahlenteiler 4 hat die Aufgabe, zusammen mit dem Hauptspiegel 2 das effektive RefIe χ ionsvermögen hinsichtlich der optischen Frequenz innerhalb der Schwingungsbandbreite des Lasermediums 1 periodisch zu verändern. Im Betrieb verläuft ein Lichtstrahl 5 durch das Lasermedium 1 und den optischen Modulator 3 und wird von den Hauptspiegeln 2 und 2' ständig hin und he^reflektiert, wobei er den Strahlenteiler 4, der den Gütefaktor des von den Hauptspiegeln gebildeten Hohlraumresonators periodisch verändert, immer wieder durchlaufen muß. Ein Teil des Lichtstrahls 5 kann den Hohlraumresonator bei 6 oder 6' verlassen und stellt die verwertbare Ausgangsgröße der Laseranordnung dar.

Ein .Ausführungsbeispiel der'Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier dient als Lasermedium 1 ein Gas, beispielsweise ein Gemisch von Helium und Neon. Es befindet sich in einem ^; langen Glasrohr 7, worin mittels einer elektrischen Spannung eine ständige Gasentladung aufrechterhalten wird, die eine Besetzungsumkehr im Gasplasma hervorruft. Zur optischen Phasenmodulation des erzeugten Lichtstrahls dient ein lichtdurchlässiger Kristall 8 mit elektrooptischer Wirkung, beispielsweise ein Einkristall aus KDP, LiTiO₃, LiNbO₃ oder äQ.. An den

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ORIGINAL INSPECTED

Stirnflächen des Kristalls 8 sind Glasprismen 9 und 10 angeordnet, deren Brechungsindex weitgehend mit demjenigen des Kristalls 8 übereinstimmt, und zwar ist jede Stirnfläche der Glasprismen um den Brewstersehen Winkel gegen die optische Achse der Hauptspiegel 2 und 2^f geneigt, so daß Lichtreflexionen an den beiden Stirnflächen des Kristalls 8 weitgehend unterdrückt werden. Der Kristall 8 ist mit nicht dargestellten oberen und unteren Elektroden versehen, die mit einer Modulationsspannungsquelle ^,verbunden sind. Zur Erzeugung der Gasentladung in dem Rohr 7 sind Elektroden 11 an dessen Enden angeordnet. Zwischen dem Laserrohr 7 und dem Hauptspiegel 2¹ befindet sich eine Strahlenteilerplatte 12 aus optischem Glas, deren eine Oberfläche 13 entweder optisch plan geschliffen oder mit einer dünnen didektrisehen Schicht überzogen ist, derart, daß ihr Reflexionsvermögen innerhalb der Schwingungsbandbreite des Lasers kleiner als etwa 10 % ist. Die andere Oberfläche 14 der Strahlenteilerplatte 12 ist dagegen mit einem reflexionsverhindernden überzug versehen, so daß hier keine Reflexion des durchgehenden Lichtstrahls stattfindet. Es wurde experimentell gefunden, daß bei Verwendung eines He-Ne-Gas-lasers oder eines üblichen Festkörperlasers vom Typus Nd ι YAlG ein Reflexionsvermögen von 2 bis 3 % für den Strahlenteiler 12 ausreicht.

Da der Strahlenteiler 12 also nur ein geringes Reflexionsvermögen besitzt, wird der optische Hohlraumresonator im wesentliche

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durch die Hauptepiegel 2 und 2' gebildet« Im Weg des zuerst am Hauptspiegel 2· und dann an der Oberfläche 13 des Strahlenr * ist*

. tellers 12 reflektierten Teilstrahls/iin Hilfsspiegel 15 derart angeordnet, daß der an ihm reflektierte Teilstrahl vieder in - den eigentlichen Hohlraumresonator, d.h. den Raum wischen den Hauptspiegeln 2 und 2·· zurückkehrt.

Dl« optische VeglRnge cvischen dem Hbptepiegel 2 und der Teil- j rei:2f?ionsflache 1$ sei nachstehend mit L₁ bezeichnet, die optische Weglange svisehen den Flächen 13 und 2 mit L₂ und ~ diejenige zwischen den Flächen 13 und 15 mit L₃. Da das Reflexionsvermögen^ des Strahlenteilers 12 bev. der Reflexionsfläche 13 außerordentlich gering ist, ist der Abstand der ' Resönansfröquensen (Axialschvingungsmoden) des von den genannten Flächen gebildeten optischen Hohlraumresonators c/2(L. + L₂). Der Strahlenteiler 12 und der Hilfsspiegel 15 bilden den Strahlenteiler 4 in Fig. 1, der tusammen mit dem Hauptspiegel 2* periodisch den ⁰Utefaktor des Hohlraumresonators verändert.

Wenn nämlich die optische Weglänge L₃ so gevählt vird, daß sie f folgende Gleichung erfüllt}

L₃ + L₂ * -1(L₁ +L₂) (1)

vobei ρ eine positive ganze Zahl ist, so vird das effektive. Reflexionsvermögen der Anordnung 4 zusammen mit dem Hauptspiegel 2¹ in jedem p-Modus der Resonanz hoch. Unter der Annahme, daß die • Spiegel 2« und 15 vollkommen reflektieren, nimmt Mas effektive Reflexionsvermögen im Maximum den Wert 1 und im Minimum den

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Vert· (1 - 4 ²) an. D.er. Verlauf dee ^etitefaktors für den axial·» '. Modus in einem optischen Hohlraumresonator 1st in Fig. $-schematisch dargestellt, vobei die Maßeinheit in Abssissenrichtung die ^: optische Frequenz ist. Das Diagramm der Flg. 3 besieht sich auf den Fall ρ » 3. Venn die optische Veglunge L₃ in der oben angegebenen Velse eingestellt vird und eine elektrische Modulation·- spannung, deren Frequents genau p-mal so groß vie der Kodenabstand ist (d.h. p)> auf den rristallmodulator 8 gegeben vird» so ist es möglich, Lichtimpulse mit stabiler Pulsfrequenz su erhalten, deren Frequene p-mal so hoch vie der Modenabetand ist. Der. Verlauf solcher Impulse ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, vobei in Absissenrichtung die Zeit und in Ordinatenrichtung die Intensität aufgetragen ist. Is sei bemerkt, daß selbst dann, venn der Iristallmodulator 8 nicht benutzt vird* spontan eine periodische Lichtemission in Impulsen stattfindet. Um aber der Impulsfolge die gevtinschte Pulsfrequenz in stabiler Veise su erteilen, muß der Lichtstrahl unbedingt moduliert verden.

Venn das Emissionspektrum des Laseroseillators mit einem Abtastinterferometer betrachtet vird, vährend eine Folge von Impulsen erzeugt vird, deren Pulsfrequenz p-mal so hoch vie der Modenabstand ist, findet man, daß die Verteilung der Schvingfrequenxen für jeden p-Modu» der Fig. 5 entspricht, vonach der Abstand der auftretenden Schvingfrequenzen p-mal so groß vie der Resonanzmodenabstand ist. Vie Fig. 6 zeigt, nimmt die ' Schvingungsintensität bei jedem p-Modus infolge der Kopplung zvischenden Schwankungen des Gütefaktors, den Eigenschaften des\

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Lasermediums und dem Axialmodenabstand einen hohen Wert an, aber !die Moden zwischen den betreffenden p-Moden sind nicht völlig

terdrückt. Mißt man die Phasendifferenz zwischen den einzelnen Hoden in dem geschilderten Fall, so findet man, daß diese Moden nicht phasengleich lind, sondern jeveils eine besondere Phasenbeziehung aufweisen*

Xn Anbetracht der verschiedenen möglichen Phasenbeziehungen einer /.■--■

ebenen Welle in einen solchen optischen Hohlraumresonator ist offenbar die optische Weglänge L₃ nicht auf den einzigen Wert beschränkt, der die Gleichung (1) erfüllt, sondern kann alle Werte annehmen, die aus den nachfolgenden Ausdrücken hervorgehen,,

L₃ + L₂ -!(L₁ + L₂) (2)

L₃ + L₂ - (1- I)(L₁ + L₂) (3)

wobei m eine ganze Zahl und kleiner als ρ ist.

Der Hauptvorteil der BafLndung liegt, vie ervähnt, darin, daß durch die periodische Änderung des Gütefaktors des Hohlraumresonators hinsichtlich der Lichtfrequenz im Zusammenwirken mit dem optischen Modulator eine ganz neue Betriebsweise durchger führt werden kann, nämlich die Erzeugung von Lichtimpulsen mit einer sehr hohen Pulsfrequenz, die efin ganzes Vielfaches desi Modenabstandes ist. · I

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Nächstehend wird ein ausgeführtes Beispiel der Erfindung beschrieben. Bs wurde ein He-Ne-Ga-slaser mit einer lichten Veite von 3 mm und einer Länge von 105 cm verwendet, in den mittels einer Gleichspannung eine Gasentladung aufrechterhalten wurde.

Der Krümmungsradius des Hauptspiegels 2 war 3 m, während der andere Hauptspiegel 2» und der HilfsSpiegel 15 ebene Spiegel waren» Der elektrooptische Kristall 8 bestand aus KDP im Z-Schnitt. Der Strahlenteiler, 13 war eine planparallele Glasplatte, deren eine Oberfläche 13 ein Reflexionsvermögen von etwa 2 % hatte und deren andere Oberfläche 14 mit einem die Reflexion unterdrückenden überzug versehen war.

Die Gesamtlänge L₁ + L₂ betrug 150 cm, die Länge L_ 18 cm und der Modenabstand 100 MHz. Venn unter diesen Umständen die Länge L₃ au 60 cm, 30 cm und 10 cm gewählt wird, so erhält man Lichtimpulse mit den Pulsfrequenzen 200 MHz, 400 HHz bzw. 500 MHz. Da der zulässige Bereich von L- groß ist, erübrigt sich eine sorgfältige Feineinstellung der optischen Weglänge L₃.

Bin weiteres, in Fig. 7 dargestelltes Ausfiirungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Festkörperlaser. Er gibt außerordentlich stabile Lichtimpulse ab, deren Pulsfrequenz mehrere GHx beträgt und mit einem Modulationssignal von der Signalquelle 16 synchronisiert ist»

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/ ■

Der Laserstab 17 besteht im vorliegenden Beispiel aus YAlG I (BmissioasvellenlKnge 1,06^t), dessen beide Stirnflächen parallel geschliffen und mit einem *eflexionsfrelen Überzug versehen sind. Der Laserstab 17 wird an beiden Enden in einen Metallgestell 18 unterstützt. Der Laserstab 17 vird von einen zylindrisahtn Rohr 19 aus geschmolzenem Quarz umgeben, durch das Kühlwasser fließt. Stirn pumpen der Laseranordnung dient eine Lichtquelle 20, e.b. eine Wolframlampe. Der Laserstab 17 und die !lichtquelle 20 befinden sich in den Brennpunkten eines elliptischen Zylinders 21 aus Metall, dessen ImSläche vergoldet ist. Die Lichtquelle 20 i*t mit isolierenden Fassungen 22 in den elliptischen Zylinder eingesetzt und zum Anschluß mit Metallkappen 23 versehen. Zur periodischen Veränderung des Gütefaktors des Hohlraumresonators dient hier eine Vorrichtung 24, bestehend aus einem geschmolzenem Quarzstück, das so geformt ist, daß es zugleich den Hauptspiegel 2', den Hilf«spiegel 15 und den Strahlenteiler 12 in Fig. 2 urafafit. Die Flächen 25 und 26 des Quarzstücks 24 entsprechen dem Hauptspiegel 2* bzv. dem Hilfsspiegel 15. Auf ihnen ist eine dielektrische Mehrfachschicht aufgebracht, die eine möglichst vollständige Reflexion des einfallenden Lichtes bewirkt. Bine Fläche des QuarzStücks 24, die der Oberfläche 13 des Strahlenteilers 12 in Fig. 2 entspricht, bildet einen Winkel von 45° mit der optischen Hauptachse des Hoblrauraresonators, während die reflektierende Fläche 25 in Verlängerung der optischen Achse senkrecht zu derselben angeordnet ist und die andere reflektierende Fläche 26 einen rechten Winkel mit der Fläche,25 bildet,

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d.h. einen Winkel von 45 mit der Schrägfläche des Quarzstücks bildet.

V In der Hauptachse befindet sich ferner ein elektrooptischer Kristall 8, der beispielsveise aus LiTaQ₁, besteht und die Modulation des Lichtstrahls ermöglicht. Die beiden Stirnflächen des Kristalls 8 sind mit einem reflexionsfreien überzug versehen. Der' Kristall 8 befindet sich in einem Mikrowellenresonator 27, dessen Resonanzfrequenz mit der Modulationsfrequenz zusammenfällt. Der Resonator 27 weist an seinen Stirnflächen Löcher 28 auf, durch welche der Lichtstrahl vom Laserstab 17 hindurchteten kann. Ein weiteres exzentrisches Loch 29 dient zur Durchführung der Verbindungsleitung zu der Modulationssignalquelle

Da der Teil 24 aus einem einzigen geschmolzenen Quarzstück besteht, sind Änderungen seiner Eigenschaften infolge von Temperaturschwankungen außerordntlich gering, so daß eine Verstellung der relativen optischen Weglänge zwischen den Spiegelflächen 13, 25 und 26 unnötig erscheint. Andererseits ändert sich der Brechungsindex des Laserstabes 17 mit der Temperatur. Um stabil gekoppelte Schwingungsmoden zu erhalten, ist es deshalb erforderlich, die Lage des Hauptspiegels 2 zu verstellen, damit die optische Weglänge L₁ konstant bleibt. Aus diesem Grunde ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Regelvorrichtung für den Schwingungsmodus vorgesehen. Die erzeugten Lichtimpulse

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werden hierzu in einer Photozelle 30 beobachtet, deren Ausgangs- ■ sigale über ein schmales Bandfilter 31 auf einen Phasendetektor 32 gegeben werden. Dort werden sie mit dem Modulationssignal von der Modulationssignalquelle 16 verglichen. Das Vergleichsergebnis wird dann in einem Gleichstromverstärker 33 verstärkt und auf die Elektroden eines piezoelektrischen Hohlzylinders 34 gegeben. Der Hohlzylinder 34 besteht aus piezoelektrischem Material und ist in Längsrichtung elastisch entsprechend den angelegten elektrischen Spannungen. Das eine Ende des piezoelektrischen Zylinders 34 ist an einer optischen Bank befestigt, während am % anderen Ende die Rückseite des Hauptspiegels 2 befestigt ist. Somit verändert sich die axiale Lage des ^spiegels 2 entsprechend den Längenschwankungen des piezoelektrischen Zylinders 34 in Abhängigkeit von der daran angelegten Spannung.

Falls die Modulationsfrequenz sehr hoch ist, wird es schwierig sein, einen geeigneten Phasendetektor zu finden. In diesem Falle empfiehlt es sich deshalb, einen Hilfsoszillator zu verwenden, der eine feste, von der Modulationsfrequenz nur wenig abweichende λ Frequenz aufweist, so daß die beiden miteinander zu vergleichenden Signale zunächst mit der festen Frequenz überlagert und dadurch in eine niedrigere Frequenz umgesetzt werden, bei welcher der Phasenvergleich leicht durchgeführt werden kann.

Es sind auch noch andere Ausführungsformen der Vorrichtung zur periodischen Änderung des Gütefaktors des Hohlraumresonators

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denkbar. So ist in Fig. 8 ein weiteres Auführungsbeispiel dargestellt, das auf dem Prinzip des Michelson-Interferometers beruht. Die Teile 35 und 36 desselben bestehen aus geschmolzenem Quar»und zwischen ihren Grenzflächen 37 befindet sich ein dielektrischer Film, der so gewählt ist, daß das Reflexionsvermögen der inneren Grenzfläche 37 kleiner als etwa 10 % ist. An den äußeren Grenzflächen 38 und 39 sind vollständig reflektierende Spiegel angebracht, während die anderen Oberflächen der Quarzteile, durch welche der Lichtstrahl nach außen tritt, mit einem reflexionsfreien überzug versehen sind, so daß unerwünschte Reflexionen an diesen Flächen weitgehend verhindert sind.

Bei dieser Ausführungsform lautet die Bedingung für das Auftreten einer Impulsfolge, deren Pulsfrequenz p-mal so hoch wie der Modenabstand ist, wie folgt:

L₃ - L

₂ = (1 -S)(L₁ + L₂) (5)

Ein ähnliches Resultat kann erhalten werden, wenn die dielektri sche Schicht an der inneren Grenzfläche 37 so gewählt wird, daß sie ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % besitzt. In diesem Falle wirken die Spiegel 38 und 39 wie der Hauptspiegel 2¹ und der Hilfsspiegel 15 in Fig. 2. Der Modenabstand ist hier c/2(L + L_), so daß die Bedingung für das Auftreten einer Lichtimpulsfolge, deren Pulsfrequenz p-mal so hoch ist wie der

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_1?-

Modenabstand, wie folgt lautett

L₃-L₂=I(L₁ +L₃) (4·)

S₊I₃) (5·)

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. Hier vird zur periodischen Veränderung des Gütefaktors ein Teil 40 aus geschmolzenem Quarz verwendet, dessen beide Stirnflächen 41 und 42 poliert und zueinander parallel sind. Die eine Stirnfläche 41 ist mit einem reflektierenden überzug versehen und bildet so einen Hauptspiegel. Die andere Stirnfläche 42 ist mit einem teilreflektierenden überzug versehen, also wie öle Strahlenteiler^lache 13 bei der Ausführungsform nach Pig. 2 ausgebildet«

die optische Länge L„ des Quarzstticks 40 die folgende Bedingung erfüllt,

L₂ -S(L₁ + L₂) · (6)

so ist es möglich, Lichtimpulse mit einer Pulsfrequenz zu erhalten, die p-mal so hoch ist wie der Modenabstand ist.

Experimentell wurde gefunden, daß solche Impulse gelegentlich auch dann auftreten, wenn die folgende Bedingung gilt:

^L2=fp^(L1 ⁺

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Dieses Phänomen rührt vermutlich davon her, daß die Resonr-anz-r frequenzen irregulär verschoben werden, wenn das Reflexionsvermögen der Stirnfläche 42 sehr klein ist. ' <

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zur Erzeugung besonders kräftiger Lichtimpulse dient. Hierzu sind vier Laseranordnungen 17 in einem quadratischen Ring angeordnet und stehen über in den Quadratecken befindliche Spiegel 43, 44, 45, 46 miteinander in Verbindung. E^ner dieser Spiegel, ' nämlich der Spiegel 46 ist teildurchlässig, wirkt also als Strahlenteiler, der einen kleinen Anteil der einfallenden Lichtenergie durchläßt, und zwar vorzugsweise 2 bis 3 % und jedenfalls nicht mehr als 10 %* Der Spiegel 46 bildet mit weiteren Spiegeln 47, 48 und 49 einen zweiten kleineren geschlossenen Ring hinsichtlich des Lichtweges. Dieser kleinere ringförmige Lichtveg ist so abgemessen, daß seine Länge p-mal kleiner als die Länge des durch die vier Laser gebildeten ringförmigen Lichtweges ist. Hierbei ist ρ wieder eine ganze positive Zahl. Bs läßt sich leicht einsehen, daß diese Anordnung die Lichtimpulse mit hoher Folgefrequenz und hoher Ausgangsleistung erzeugt, obwohl die optische Weglänge des großen Ringes lang ist, und zwar in der gleichen Weise wie bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen.

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Claims

PATBWTAtwTHi : £ J. DR. HfMHiCH HERMEIM& München, den Nippon Telegraph und Telephone Public Corporation, Tokyo/Japan Patentansprüche

1. Laseranordnung mit einem aktiven Medium, das zur Lichtverstärkung durch induzierte Emission imstande ist und sich zwischen zwei Hauptspiegeln befindet, die einen optischen Hohlraumresonator bilden, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (4) zur periodischen Änderung des Gütefaktors des Hohlraumresonators innerhalb der Schwingungsbandbreite des Lasers hinsichtlich der Lichtfrequenz und durch eine Vorrichtung (3) zur Modulation des entstehenden Lichtstrahls mit einer Frequenz, die ein ganzes Vielfaches des Axialmodenabstandes des Hohlraumresonators ist, und zwar derart, daß die Modulationsamplitude einen Schwellenwert übersteigt, bei dem eine Phasenkopplung verschiedener Axialmoden der im Hohlraumresonator schwingenden elektromagnetischen Welle eintreten kann.

2'. L as er anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur periodischen Veränderung des Gütefaktors

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des Hohlraumresonators aus einem der beiden Hauptspiegel (2·) und mindestens einem Strahlenteiler (13) im Lichtweg zwischen den beiden Hauptspiegeln (2, 2') besteht.

3. Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen des von dem Strahlenteiler (42) reflektierten Strahls und des von ihm durchgelassenen Strahls mit der durch die beiden Hauptspiegel (2, 41) definierten optischen Achse* zusammenfallen.

4. Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Strahlenteiler (13) reflektierte oder durchgelassene Strahl einen Winkel mit der von den beiden Hauptspiegeln (2,2') definierten optischen Achse bildet und auf einen außerhalb der optischen Achse derart angebrachten Hilfsspiegel (15) fällt, daß er von diesem und dem Strahlenteiler in Richtung der optischen Achse reflektiert wird.

5. Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus mehreren ringförmig angeordneten aktiven Medien (17) und dazwischen befindlichen Spiegeln (43, 44, 45, 46), dadurch gekennzeichnet, daß einer der spiegel als Strahlenteiler (46) ausgebildet ist und mit weiteren Hilfsspiegeln (47, 48, 49) einen ringförmigen Lichtweg außerhalb der ringförmigen Laseranordnung derart bildet, daß die Länge dieses äußeren Lichtweges p-mal kleiner als diejenige des durch die

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Laser gebildeten ringförmigen Lichtweges ist, wenn ρ eine ganze Zahl istο

6. Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium ein Gas ist.

7«. Laseranordnung nach einem dsr Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet _e daß das aktive Medium ein Festkörper ist.

8. Lass'anordnwig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stabilisierungsvorrichtung für die Sekwiagmiigsmoden, bestehend aus einem piezoelektrischen Kristall C 34) ο «ä©^ ä@& ©imgs Haupt spiegel (2) trägt, einer Photoseil© (30) aus Beobaelitmg der ausgesandten Lichtirapulse, einem Flias@ndet(slst©s? (32) sras Phasenvergleich der modulierten Licfetimpulse mit dem Modialatieassignal und einem Verstärker (33.), der eine dem Vergleichsergebnis entsprechende Spannung auf den piezoelektrischen Kristall (34) gibt, um so den Hauptspiegel (2) zu verschieben.

9. Laseranordnung rfach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (13) höchstens etva 10 % der Lichtenergie aus dem Hauptstrahlengang auskoppelt.

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