DE1919821C3

DE1919821C3 - Optical transmitter or amplifier for high-energy radiation (laser)

Info

Publication number: DE1919821C3
Application number: DE19691919821
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr.rer. nat 8000 München Röß
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1969-04-18
Publication date: 1977-10-20

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker für energiereiche Strahlung (Laser), bestehend aus einem optischen Resonator vom Fabry-Perot-Typ mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium, einer Anregungslichtquelle und einem das Anregungslicht auf das stimulierbare Medium konzentrierenden Reflektorsystem, bei dem der äußere Durchmesser des strahlenden Volumens der Anregungslichtquelle wenigstens gleich dem äußeren Durchmesser des stimulierbaren Mediums ist.The invention relates to an optical transmitter or amplifier for high-energy radiation (laser), consisting of from an optical resonator of the Fabry-Perot type with a rod-shaped stimulable medium, an excitation light source and a concentrating the excitation light on the stimulable medium Reflector system in which the outer diameter of the radiating volume of the excitation light source is at least equal to the outer diameter of the stimulable medium.

Ein derartiger optischer Sender oder Verstärker ist beispielsweise durch die DT-AS 12 77 467 bekannt, bei dem ein zylindrisches aktives Material und eine Anregungslichtquelle vorgesehen wird, deren Licht zur Erzielung einer weitgehend gleichmäßigen Leuchtdichteverteilung im aktiven Material in einem hohlzylinder- 4S förmigen Gebiet erzeugt wird, dessen Verhältnis von Außendurchmesser zum Innendurchmesser groß gewählt ist.Such an optical transmitter or amplifier is known for example from DT-AS 12 77 467, at a cylindrical active material and an excitation light source is provided, the light for Achieving a largely even distribution of luminance in the active material in a hollow cylinder 4S Shaped area is generated, the ratio of the outer diameter to the inner diameter is selected to be large is.

Bei einer durch die US-PS 31 64 782 bekannten Laseranordnung ist ein hohlzylindrisch ausgebildetes, an seinen Stirnseiten mit einem reflektierenden Belag einerseits und einem teilweise reflektierenden Belag andererseits versehenes Lasermaterial konzentrisch in einem gasdicht abgeschlossenen Rohr angeordnet. In das Rohr sind seitlich Elektroden eingesetzt, die mit ihrem abgewinkelten Ende in den hohlzylindrischen Raum des Lasermaterials stirnseitig in axialer Lage hineinragen. Die dem teilweise reflektierenden Belag des Lasermaterials gegenüberliegende Stirnseite des Rohres ist dabei mit einem transparenten Fenster abgeschlossen.In a laser arrangement known from US Pat. No. 3,164,782, a hollow cylinder is formed on its end faces with a reflective coating on the one hand and a partially reflective coating on the other hand provided laser material arranged concentrically in a gas-tight sealed tube. In the tube are laterally inserted electrodes with their angled end in the hollow cylindrical The space of the laser material protrudes at the end in an axial position. The partially reflective surface The end face of the tube opposite the laser material is provided with a transparent window closed.

Mit Hilfe von optischen Sendern und Verstärkern lassen sich im Impulsbetrieb sehr hohe Strahlungsenergiedichten in einem schmalen Frequenzbereich erzielen. Diese Eigenschaft hat den optischen Sendern und Verstärkern eine Vielzahl von technischen Anwendungsmöglichkeiten erschlossen.With the help of optical transmitters and amplifiers, very high radiation energy densities can be achieved in pulse mode achieve in a narrow frequency range. This property has the optical transmitters and Amplifiers opened up a multitude of technical application possibilities.

Zwei wichtige Vertreter von optischen Sendern und Verstärkern zur Erzeugung hoher Impulsenergien sind der sogenannte Riesenimpulslaser und der Durchgangsverstärker nach dem Wandorweilenprinzip. Bei beiden Arten wird ein stimulierbares Medium, z. B. Rubin, mit einer Anregungsenergiequelle, meist einer intensiven Lichtquelle, bestrahlt. Die eingestrahlte Energie wird durch Inversion der atomaren Niveaus im stimulierbaren Medium gespeichert. Sie kann in Form stimulierter Strahlung mit kohärenten und monochromatischen Eigenschaften impulsartig wieder abgegeben werden. Es handelt sich dabei also im Gegensatz zur spontanen um eine induzierte Emission.Two important representatives of optical transmitters and amplifiers for generating high pulse energies are the so-called giant pulse laser and the through-flow amplifier based on the traveling principle. By both Species becomes a stimulable medium, e.g. B. Ruby, with a source of excitation energy, usually an intense one Light source, irradiated. The radiated energy is stimulated by inversion of the atomic levels in the Medium saved. It can be in the form of stimulated radiation with coherent and monochromatic Properties are released again in a pulsed manner. So it is in contrast to the spontaneous an induced emission.

Die maximal bisher erreichbaren Werte der abgegebenen Impulsenergie liegen in der Größenordnung von 50 MW/cm¹ des stimulierbaren Mediums und einer Impulsbreite von etwa 10 nsec.The maximum values of the emitted pulse energy that can be achieved so far are in the order of magnitude of 50 MW / cm ^{1 of} the stimulable medium and a pulse width of about 10 nsec.

Zur Erzeugung von Maximalwerten der emittierten Leistung in der Größenordnung von 1 GW ist man gezwungen, zu großen Volumina (etwa KX)cm') des stimulierbaren Mediums überzugehen.In order to generate maximum values of the emitted power in the order of magnitude of 1 GW, one is forced to go to large volumes (about KX) cm ') of the stimulable medium.

Das Anregen größerer Volumina wirft jedoch einige Probleme auf. Das stimulierbar Medium hat gewöhnlich aus Symmetriegründen Zylinderform. Um eine hohe mittlere Energiedichte zu erhalten, muß das stimulierbare Medium wenigstens annähernd gleichmäßig angeregt werden. Dies läßt sich bei dünnen Stäben (bis zu einem Durchmesser von 1 cm) noch einigermaßen gut erfüllen.Exciting larger volumes, however, poses some problems. The stimulable medium usually has cylindrical shape for reasons of symmetry. In order to obtain a high average energy density, the stimulable Medium are excited at least approximately uniformly. This can be done with thin rods (up to one Diameter of 1 cm).

!n dickeren Stäben ist eine gleichmäßige Ausleuchtung jedoch nicht mehr gewährleistet. Bei Verwendung üblicher Reflektorsysteme, wie z. B. dem Rotationsellipsoid, nimmt die Dichte der Anregungsenergie nach der Achse des stimulierbaren Mediums hin stark zu. Dazu kommt noch, daß sich bei optischen Verstärkern durch thermische Linsenwirkung die Laserfunktion auf schmale achsennahe Bereiche des Stabes konzentriert, so daß bereits bei relativ niedriger Leistung pro Volumen partielle Energieflußdichten entstehen, die zur Zerstörung des Materials führen.! n thicker rods there is even illumination but no longer guaranteed. When using conventional reflector systems, such as. B. the ellipsoid of revolution, the density of the excitation energy increases strongly towards the axis of the stimulable medium. In addition there is also the fact that in optical amplifiers the laser function is narrow due to the thermal lens effect Areas of the rod close to the axis are concentrated, so that even with relatively low power per volume partial energy flux densities arise which lead to the destruction of the material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, große Querschnittsflächen und damit große Volumina des stimuiierbaren Mediums eines optischen Senders oder Verstärkers gleichmäßig anzuregen und somit extrem hohe Ausgangsleistungen, zu erreichen.The invention is based on the object of providing large cross-sectional areas and thus large volumes of the to stimulate the stimulable medium of an optical transmitter or amplifier evenly and thus extremely high output power.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß das stimulierbare Medium als Hohlzylinder ausgebildet und hinsichtlich seines Innendurchmessers und seines Dämpfungsfaktors für das Anregungslicht derart bemessen ist, daß die Inversionsdichte über den Querschnitt des Rohrmaterials wenigstens annähernd konstant ist, wobei der radiale Verlauf innerhalb des stimulierbaren Mediums ein schwach ausgeprägtes Maximum aufweist.According to the invention, this object is achieved in that the stimulable medium takes the form of a hollow cylinder formed and with regard to its inner diameter and its damping factor for the excitation light is dimensioned such that the inversion density over the cross section of the pipe material is at least approximately is constant, the radial course within the stimulable medium being weak Has maximum.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein stimulierbares Medium in Hohlzylinderform über den gesamten Querschnitt wesentlich gleichmäßiger angeregt werden kann, als dies bei Stabform möglich ist. Der Inversionsdichteverlauf im Querschnitt stabförmigcr stimulierbarer Medien zeigt gewöhnlich im Mittelpunkt des Querschnitts ein ausgeprägtes Maximum. Wie bereits erwähnt, kommt gerade beim besonders wichtigen Anwendungsfall des optischen Molekularverstärkers hinzu, daß sich durch thermische Linsenwirkung die Laserfunktion meist nur auf schmale achsennahe Bereiche des Stabes beschränkt. Der Rest des Stabvolumens trägt zur Ausgangsleistung wenig bei, wab notwendigerweise ?.u relativ geringen Leistungen pro Volumeneinheit des stimulierbaren Mediums führt. Durch die Ausbildung des stimulierbaren Mediums alsThe invention is based on the knowledge that a stimulable medium in a hollow cylindrical shape via the entire cross-section can be excited much more evenly than is possible with rod form. the Inversion density gradient in the cross-section of rod-shaped stimulable media usually shows in the center of the cross-section a pronounced maximum. As already mentioned, especially when important application of the optical molecular amplifier is added that by thermal lens effect the laser function is mostly limited to narrow areas of the rod close to the axis. The rest of the rod volume contributes little to the output power, wab necessarily? .u relatively low power per unit volume of the stimulable medium leads. By training the stimulable medium as

Hohlzylinder ist diese Möglichkeit durch die Geometrie völlig ausgeschaltet. Die gleichmäßige InverMonsdichte im stiiiiulierbaren Medium läßt damit wesentlich höhere Ausgangsleistungen pro Volumr neinheit zu. Überdies bestellt die Möglichkeit, zu größeren Volumina überzugehen und so die bisher mögliche Ausgangsleistung bekannter Molekularverstärker stark zu erhöhen. Die damit erreichbaren Ausgangsleistungen verlangen natürlich auch entsprechend hohe Anrcgurigsleistungei:, die nur von Lichtquellen aufgebracht wurden können, deren äußerer Durchmesser ihres Struhiur,j;>vo!uinens wenigstens gleich dem äußeren Durchmesser des stimulierbaren Mediums ist. Fine Anordnung der Lichtquelle allein im Inneren des Hohlzylinders, wie sie bekannte Anordnungen aufweisen, führt also sicher nicht /um gewünschten Erfolg.Hollow cylinder is this possibility due to the geometry completely turned off. The even density of InverMons in the controllable medium thus leaves much higher Output power per unit of volume. In addition, the option of ordering larger volumes and thus to greatly increase the previously possible output power of known molecular amplifiers. The output power that can be achieved with this naturally also requires a correspondingly high response power :, which can only be applied by light sources, the outer diameter of which of their structure, j;> vo! uinens at least equal to the outer diameter of the stimulable medium is. Fine arrangement of the light source alone inside the hollow cylinder like her Have known arrangements, so certainly does not lead / to the desired success.

Im Hinblick auf ein gleichmäßiges Anregen des slimuiierbaren Mediums über den gesamten Querschnitt wird eine größere Freiheil in der Dimensionierung des Innendurchmessers des stimulierbaren Mediums dadurch erreicht, daß eine weitere Anregungslichtquelle im Innenraum des hohlzylinderformigen stimulierbaren Mediums vorgesehen ist.With a view to evenly stimulating the slimuibaren medium over the entire cross section is a greater freedom in the dimensioning of the The inner diameter of the stimulable medium is achieved by adding a further excitation light source is provided in the interior of the hollow cylinder-shaped stimulable medium.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielc soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is to be explained in more detail on the basis of the exemplary embodiment shown in the drawing will. It shows

F i g. la und Ib den Verlauf der Inversionsdichte über den Querschnitt eines stabförmigen und eines hohlzylinderformigen stimulierbaren Mediums nach der Erfindung,F i g. la and Ib show the course of the inversion density the cross section of a rod-shaped and a hollow cylindrical stimulable medium according to the Invention,

I-'ig. 2 in schematicher Darstellung das stimulierbare Medium nach der Erfindung mit Kühleinrichtung und Vorrichtungen zur Erzeugung von Ricscnimpulsen,I-'ig. 2 a schematic representation of the stimulable Medium according to the invention with cooling device and devices for generating Ricscnimpuls,

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Anordnung des erfindungsgemäß ausgebildeten stimulierbaren Mediums und der Anregungslichtquclle in einem rotationselliptischen Reflektorsystem.3 shows the arrangement in a schematic representation of the stimulable medium designed according to the invention and the excitation light source in one rotational elliptical reflector system.

In dem Diagramm der F i g. I a ist der typische Verlauf der Inversionsdichte / in einem stabförmigen stimulierbaren Medium über den Radius r bzw. Querschnitt dargestellt. Die Kurve zeigt ein ausgeprägtes Maximum im Qucr.schnittsmittelpunkt. Da aus thermischen Gründen eine durch das Material bestimmte obere Grenze der Inversionsdichte nicht überschritten werden darf, bleibt die mittlere Inversionsdichte (gestrichelt gezcichnete Linie) und damit die Ausgangsleistung pro Volumeneinheit des stimulierbaren Mediums immer relativ niedrig. Das führt zu einem Temperaturmaximum in der Stabachse, also einem Bereich, wo sich besonders bei dickeren Stäben die Wärmeenergie durch Außenkühlung schwer abführen läßt. Wie bereits erwähnt, kommt bei optischen Systemen gewöhnlich noch eine thermische Linsenwirkung des stimulierbaren Mediums hinzu, die die Laserfunktion noch weiter auf einen schmalen Bereich um die Stabachse konzentriert.In the diagram of FIG. I a, the typical course of the inversion density / in a rod-shaped stimulable medium is shown over the radius r or cross section. The curve shows a pronounced maximum in the center of the cross section. Since, for thermal reasons, an upper limit of the inversion density determined by the material must not be exceeded, the mean inversion density (dashed line) and thus the output power per unit volume of the stimulable medium always remains relatively low. This leads to a temperature maximum in the rod axis, that is to say an area where, especially with thick rods, it is difficult to dissipate the thermal energy by external cooling. As already mentioned, in optical systems there is usually a thermal lens effect of the stimulable medium, which concentrates the laser function even further on a narrow area around the rod axis.

Zum Vergleich ist in Fig. Ib der Verlauf der Inversionsdichte im Hohlzylinder, von dem beim Erfindungsgegenstand Gebrauch gemacht wird, über seinen Querschnitt dargestellt. Der Verlauf hängt von Faktoren, wie der Konstruktion des Reflektorsystems und dem Dämpfungsfaktor des stimulierbaren Mediums ab. Auf jeden Fall kann durch Wahl des Verhältnisses von Innen- und Außenradius des Hohlzylinders und des Dämpfungsfaktors für das Anregungslicht suns ein nahezu konstanter Verlauf der Inversionsdichte mit einem schwach ausgepägten Maximum auch bei größeren Querschnitien erzielt werden. Die mittlere Inversionsdichte (gestrichelt ge/aichnete Linie) liegt hierbei kaum unter der maximal auftretenden. Eine thermische Linsenwirkuiig des Materials kann auch,For comparison, Fig. Ib shows the course of the inversion density in the hollow cylinder, from that of the Subject of the invention is made use of, shown over its cross section. The course depends on Factors such as the construction of the reflector system and the damping factor of the stimulable medium away. In any case, by choosing the ratio of the inner and outer radius of the hollow cylinder and the Attenuation factor for the excitation light suns with an almost constant course of the inversion density a weak maximum can also be achieved with larger cross-sections. The middle Inversion density (dashed line) here hardly below the maximum occurring. A thermal lens effect of the material can also

ίο sofern sie überhaupt aultritt, die induzierte Emission höchstens auf eine Zylin lerfläche und nicht wie beim Stab auf eine Linie beschränken.ίο if it occurs at all, the induced emission at most on a cylinder surface and not as with Restrict the bar to one line.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ist Teil eines Riesenimpulslasers. Das stimulierbare Medium 1 ist als Hohlzylinder ausgebildet. Es enthält in seinem Innenraum ein Kühlrohr 2, dirch das Kühlflüssigkeit oder Kühlgas gepumpt wird. D.cses strömt an den Innenwanden von Kühlrohr 2 und Hohlzylinder entlang und tritt durch die öffnung 3 wieder aus. Der Resonator vom Fabry-Perot-Typ, der sic.i aus den beiden zueinander parallelen Spiegeln 4, 4' zusammensetzt, schließt neben dem stimulierbaren Medium t auch einen sättigbaren Absorber 5 ein. Der .sättigbare Absorber verhindert ein schon bei Beginn des Anregungsvorganges, also noch bei niedrigen Inversionsdichteii einsetzendes Anschwingen des Resonators. Er sperrt den Resonator so lange, bis infolge hoher Inversionsdichte im stimulierbaren Medium 1 eine spontane Emission beträchtlicher Intensität einsetzt und ihn dadurch in den gesättigten Zustand überführt. Der Resonator kommt dann zur Wirkung und die Lawinenbildung der Emission setzt ein. Zur Auskopplung der freigewordenen Strahlungsenergie ist der Spiegel 4 des Resonators teildurchlässig ausgebildet.The arrangement shown in Fig. 2 is part of a Giant pulse laser. The stimulable medium 1 is designed as a hollow cylinder. It contains in its interior a cooling pipe 2, through which the cooling liquid or cooling gas is pumped. D.cses flows on the inner walls from the cooling tube 2 and the hollow cylinder and exits again through the opening 3. The resonator from Fabry-Perot type, the sic.i from the two to each other composed of parallel mirrors 4, 4 ', includes not only the stimulable medium t but also a saturable medium Absorber 5 a. The saturable absorber prevents an already at the beginning of the excitation process, so still oscillation begins at low inversion densities of the resonator. It blocks the resonator until it is stimulated due to the high inversion density Medium 1 sets in a spontaneous emission of considerable intensity and thereby turns it into saturated Transferred state. The resonator then takes effect and the avalanche formation of the emission begins. The mirror 4 of the resonator is partially transparent in order to decouple the radiant energy that has been released educated.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 sind das stimulierbare Medium 1 und die Anregungsenergiequelle 6 in einem Rotationsellipsoid 7 auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils zwischen einem Brennpunkt 8,8' und dem ihnen benachbarten Scheitel angeordnet. Die lnnenflächen des Rotationsellipsoids 7 sind verspiegelt. Das Licht aus der Anregungsenergicquelle 6, einer in diesem Fall wendelförmig aufgewickelten Entladungs-Blitzlampe, wird über die Reflexion an der Innenwand des Rotationsellipsoids auf das hohlzylinderförmige stimulierbare Medium 1 konzentriert. Der äußere Durchmesser des Strahlungsvolumens der Anregungsenergiequel-Ie 6 ist, um eine möglichst hohe Inversionsdichte zu erzielen, größer als der des stimulierbaren Mediums 1. Ein Spiegel des Resonators ist durch ein totalreflektierendes Primsa 4" ersetzt. Der Dachwinkel des Prismas beträgt 90°. Eine leichte Verkippung des Prismas um seine Dachkante führt noch nicht zur Strahlauswanderung aus dem Resonator, da die ein- und austretende Strahlung weiterhin parallel bleibt. Die Justierung des Resonators wird damit unkritischer. Auf die Darstellung einer Kühleinrichtung sowohl für das stimulierbare Medium als auch für die Anregungsenergiequelle sowie auf Güteschalter und Auskoppelvorrichtungen für das Signallicht wurde zugunsten einer übersichtlichenIn the arrangement according to FIG. 3, the stimulable medium 1 and the excitation energy source 6 are in one Ellipsoid of revolution 7 on opposite sides between a focal point 8, 8 'and the arranged vertices adjacent to them. The inner surfaces of the ellipsoid of revolution 7 are mirrored. The Light from the excitation energy source 6, in this case a discharge flash lamp wound in a spiral shape, is stimulated via the reflection on the inner wall of the ellipsoid of revolution on the hollow cylindrical Medium 1 concentrated. The outer diameter of the radiation volume of the excitation energy source 6 is larger than that of the stimulable medium 1 in order to achieve the highest possible inversion density. One mirror of the resonator has been replaced by a totally reflecting Primsa 4 ". The roof angle of the prism is 90 °. A slight tilting of the prism around its roof edge does not yet lead to beam migration from the resonator, as the incoming and outgoing radiation remain parallel. Adjusting the This makes the resonator less critical. On the representation of a cooling device for both the stimulable Medium as well as for the excitation energy source as well as on Q-switch and decoupling devices for the Signal light was in favor of a clear one

w) Darstellung verzichtet.w) Representation omitted.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Optical transmitter or amplifier for high-energy radiation (laser), consisting of a optical resonator of the Fabry-Perot type with a rod-shaped stimulable medium, a Excitation light source and a concentrating the excitation light on the stimulable medium Reflector system in which the outer diameter ό of the radiating volume of the excitation light source is at least equal to the outer diameter of the stimulable medium, characterized in that that the stimulable medium (1) is designed as a hollow cylinder and in terms of its Inside diameter and its damping factor for the excitation light is dimensioned such that the Inversion density is at least approximately constant over the cross section of the pipe material, the radial course within the stimulable medium has a weakly pronounced maximum.

2. Optical transmitter or amplifier according to claim 1, characterized in that one further excitation light source (6) in the interior of the hollow cylindrical stimulable medium (1) is provided.