DE1944965A1 - Laseranordnung - Google Patents

Description

Priorität: USAj 6. November 1968 TJS-Ser. Bio. 773 888

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung zur Erzeugung hochintensiver, sehr kohärenter Läseratrahlung.

Bei der Aufnahme von Hologrammen von großen Objekten auf große Entfernungen, .besonders im Falle der Satellitenholographie haben sich eine Reihe von Problemen ergeben, die durch die den Glaslasersystemen und G-aslasersystemen anhaftenden Eigenschaften bedingt sind» Mit Ausnahme des CQo-G-aslasers haben die G-aslaser eine verhältnismäßig geringe Leistung, und es ist dadurch schwierig mit einem Gaslaser Signale über große Entfernungen zu senden* Andererseits haben die Glaslaser nur eine kurze KoMrenalänge, In vielen Fällen ist die Kohärenzlänge eines Glaslasers kurs im Vergleich zur Dimension des zu untersuchenden Objektes» In der Erfindung sind die Eigenschaft des Gaslasers, nämlich die _§ wünschenswerte lange Kohärenzlänge und die Eigenschaft des Glaslasers, nämlich die hohe Leistung kombiniert.

9824/1738

Biyeriache Vereinsbank MüadieB 820983

1944363

- 2 -.■'.-■

Das ist durch das Anpassen der Ausgangsleistung eines, als Oszillator arbeitenden Gaslasers an das Maximum der spontanen Emission eines Glaslasers erreicht. Soll das von einem Gaslaser stammende Signal durch einen Glaslaserverstärker verstärkt werden, so ist es wichtig, daß der Glaslaser nur wenige oder optimal sogar nur die niedrigste Schwingungsausbreitungsform unterstützt.

Eine Laseranordnung zur Erzeugung hochintensiver, sehr kohärenter Laserstrahlung kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß die Anordnung einen als Oszillator arbeitenden Gaslaser zur Erzeugung besonders kohärenter Laser- strahlung einer genau vorbestimmten Wellenlänge und einen optisch angekoppelten festkörperlaser aufweist, der das vom Gaslaseroszillator kommende Signal verstärken und somit das Signal vergrößern kann.

..Weitere Eigenschaften und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Von den. Figuren zeigen; '

Figur 1 Eine graphische· Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, ■:,-.,

Figur 2 eine graphische Darstellung, bei der die Intensität der Fluoressenz-Emission von Nd in verschiedenen Gläsern· gegen die Wellenlänge aufgetragen, ist.

Figur 3 eine fchematisohe Darstellung zur Illustration der totalen imeren Heflexion in einer Glasfaser,

OJSS2A/173S

AO 2498 - J -

Figur 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfuhr ungs form· der Erfindung,

Figur 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Figur 1 ist mit 10 ein Gaslaser "bezeichnet. Die mit dem Pfeil 12 bezeichnete Ausgangsstrahlung des Gaslasers 10 ist optisch an den Glaslaser 14 angekoppelt und wird von diesem verstärkt. Die vom Glasbläser H ausgesandte Strahlung ist durch den Pfeil 16 gekennzeichnet. Damit das von einem Gaslaser herrührende Signal durch einen Glaslaser verstärkt wird,müssen verschiedene Bedingungen erfüllt sein,vor allem mui3 das Maximum der Intensität der Fluoressenz-Strahlung des Glaslasers 14 möglichst mit der Wellenlänge der ausgesandten Strahlung 12 des Gaslasers 10 zusammenfallen.

Aus Figur 2 wird ersichtlich, daß Glaslaser ein breites Smissionsband haben. Das Maximum der sich ergebenden spontanen Emission liegt an der Stelle des Peaks der Kurve. Die Bandbreite der Strahlung eines neodymdodierten Glaslasers beträgt etwa 15 nanometer oder mehr. Dagegen hat ein typischer, als Oszillator arbeitender Gaslaser mehrere Emissionsbänder, die aber sehr eng sind und im allgemeinen eine Bandbreite von einem & nicht überschreiten. Eine maximale Ausbeute erhält man, wenn die Wellenlänge der Emissionslinie des Gaslasers mit der dem Peak der spontanen Emission des Glaslasers entsprechenden Wellenlänge zusammenfällt. In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung wird die 1,0621u-Ueon-linie des Heliumneon-Gaslasers benutzt. In Figur 2 ist die 1,05 A-Fluoressenzstrahlung von Nd^⁺ in verschiedenen Gläsern gezeigt. Es ist bekannt, daß man das Maximum der Intensität

00 982A/173

der spontanen Emission von aktiven Ionen in einem Glaslasermaterial durch -Veränderung der Zusammensetzung des Glases verändern kann. In einem typischen neodymdodierten Glaslaser kann durch die Veränderung der Zusammensetzung des Glases das Maximum der Intensität der spontanen Emission in einem Bereich der Wellenlängen zwischen 1,047/U und 1,064 /U verschoben werden.

Wie bereits gesagt wurde, liegt bei einem typischen neodymdodierten Glaslaser die wirksamste Emission bei der Wellenlänge von 1,06 Ai im Peak der Intensität der Fluoressenzstrahlung, und die Bandbreite beträgt etwa 15 nanometer. Figur 2 zeigt verschiedene Fluoressenzkurven für verschiedene Gläser. Die Wellenlängen der einzelnen Peaks und die Breiten der Linien für einige Glasträger sind in der folgenden Tabelle/gegeben.

Trägermaterial Peak Linienbreite

Si Ba Rb Ba (P0,}₉ La BBaP * ~ SiPbK La Si Al Ge Ba Eb K

1.057	26.0	nm
1.054	24.5	nm
1.061	36.5	nm
1.061	28.0	nm
1.064	38.0	nm
1.061	34.0	nm

In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die vom Heliumneon Gaslaser ausgesandte Linie der Wellenlänge 1 ,0621 η verwendet. Der Glaslaser H ist so gewählt, daß das'Maximum, der spontanen Emission dieses Verstärkers

001824/1738

AO 2498 ·- 5 -

mit der Wellenlänge der ausgesandten Strahlung des Gaslasers 10 zusammenfällt. Es sind folgende Zusammensetzungen für Glaslaser 14 gefunden worden, bei denen das Maximum der Fluoressenzstrahlung mit dem Ausgang 12 des Lasers TO zusammenfällt, also bei 1,0621 ti liegt.

Gewicht <f°

S1O2 61,32

Ia₂O 11,75

K₂O 2,94

CaO 12,25

TiO₂ 7,06

Sb₂O, 0,68

Ud₂O₃ 4,00

Die Erfindung soll aber nicht auf diese speziellen Zusammensetzungen beschränkt sein. Es soll damit nur gezeigt sein, daß es möglich ist, die Ausgangs strahlung des G-aslasers mit dem Fluoressenz-Feak des Glaslasers abzustimmen. Bs sind andere Zusammensetzungen möglich, die diese Bedingung ebenfalls erfüllen und erfindungsgemäß ebenfalls verwendet werden können.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll zwar das Maximum der Fluoressenzstrahlung des G-laslaserverstärkers mit der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung des Gaslaseroszillators zusammenfallen. Es können aber auch andere Ausführungen verwendet werden, bei denen die vom Gaslaseroszillator &Ό.Β-gesandten Wellenlängen zwar noch mit der Yerst'.ärkungscharakteristik des Glasläserverstärkers zusammenfällt, jedoch nicht mehr im Maximum der Fluoressenzstrahlung liegt. Beispielsweise

0ÖS824/1738

AO 2498 - 6 -

kann die Laserstrahlung der Wellenlänge T,ü.798 u. eines Heliumneon-Gaslasers mit einem Efeodymlaser verstärkt werden. Die Anordnung arbeitet dann ebenfalls in der beschriebenen Weise, nur nicht mehr unter obtimalen Bedingungen. Ebenfalls können andere -Gaslaser in Kombination mit anderen Glaslasern als Verstärker verwendet werden, die etwa mit Tb^⁺, Tnr oder Ho dotiert sind. Ferner soll es in.den Bereich der Erfindung gehören, als Verstärker einer von einem Gaslaser ausgesandten Strahlung bestimmter Wellenlänge einen kristallinen Festkörperlaser zu verwenden.

In allen Ausführungsformen wird der gezeigte Glaslaser 14 in herkömmlicher Weise gepumpt, etwa durch ein Blitzlicht, das hier nicht gezeigt ist.

Damit die Anordnung erfolgreich arbeitet, ist es nötig, daß das vom Gaslaser 10 ausgesandte Signal 12 gröiaer als der ■ eq.uivale.nte Eingang der spontanen Emission des Glaslasers 14 ist. Der eq.uivalente Eingang der spontanen Emissionsleistung des Glaslasers H -ist in vfatt ausgedrückt gegeben durch:

W ■_ = 2/\9 Wad' ■■■■■ (ti

wobei ff die Zahl der sich fortpflanzenden Schwingungsformeη ist. Der Faktor 2 berücksichtigt die zwei.Polarisationsrichtungen pro Schwingungsform, Δν ist die Linienbreite in Hertz und hv* die Energie pro Photon. Der Ausdruck '2AV χ W gibt die Zahl der Photonen pro Sekunde für den Laser H an. Da die Leistung der spontanen Emission geringer sein mui3 als das Eingangssignal 12, kann die Eingangsleistung der spontanen Emission durch eine Verminderung der Zahl der sich fortpflanzenden Schwingungsformen-N■"entsprechend der Glei-

Ö0SS2A/1738

AO 2498 . - γ -

chung (1) herabgesetzt werden. Wie es aus Gleichung (1) hervorgeht, wird durch die Verkleinerung der Zahl N bis zu einem Punkte, an dem ¥_o kleiner als das Signal 12 ist, die Wirkungsweise der Verstärkung verbessert. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Glaslaser H nur die niedrigste Schwingungsform HE₁₁ unterstützt und damit H gleich 1 ist.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Glaslaserverstärker 14 ein Faserlaser, der nur die niedrigste Schwingungsform HE.,., unterstützt. Eine neodymdotierte Faser mit Mantel kann so ausgeführt sein, daß nur die HE₁--Schwingungsform sich ausbreiten kann. Die Eigenschaften von Kern und Mantelmaterial einer solchen Faser gemäß der Erfindung sind in der folgenden Tabelle und in Figur 3 gezeigt.

Brechungsindex Natrium-D-Linie 1,06 η

Kern Niedrig-Verlust- H₁» 1,5165 1,5054

Laser-Glas

I.Mantel n₂= 1,5163

2.Mantel Samarium-dotiert n,» 1,5179 1,5078

zur Absorption der ^ ' -

1,06 «.-Strahlung

Der Brechungsindex n_? des Mantels 22 in Figur 3 ist kleiner als der Brechungsindex n.. des Kerns 24. Dadurch wird innere totale Reflexion möglich. Der Brechungsindex n, des zweiten Mantels 26 ist größer als der Brechungsindex n_2> so daß die den ersten Mantel durchstrahlende 1,06/i-Strahlung in den zweiten Mantel eintritt und dort vom Samarium absorbiert

00882 h/1738

AO 2498 ; - S> ; : ;

numerische Apertur werden kann. Bei der Wellenlänge 5895 & ist die/ΚΑ =

L. - n„ a. 2,46 χ 10 . Experimentelle Ergebnisse zeigen, daß die obenbeschriebene Faser mit einem Kerndurch—

messer von etwa 25 /ι nur die Grundschwingungsform HE₁₁ unterstützt. ·

Die oben beschriebene Faser dient als Beispiel einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung, es sind jedoch auch andere Faserausführungen möglich. _:

Torzugsweise wird die Zahl der sich fortpflanzenden/Schwingungsformen dadurch reduziert, daß man mit einem Mantel'umgebene Fasern verwendet, deren Querschnitt so klein ist, daß sich nur:die Grundschwingungsordnung HB^^ fortpflanzen kann. Hat eine" Faser einen Kern 24 mit einem kreisförmigen Querschnitt vom Durchmesser d und ist der Brechungsindex des Kerns 24 Xi-, und der Brechungsindex des Mantels 22 n_?, dann/ wird sich nur die Grundschwingung HE^^ fortpflanzen, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: ■'"..-

2,405, wobei A die/Lichtwellenlänge ist.

Die Schwingungsformen, auf die oben Beztg genommen worden ist, sind räumliche. Schwingungsformen, die mit der Fortpflanzung des Lichtes in einer Richtung durch das Material · zuBämmenhängeji, Wie gezöigt worden istyisT^eiii dielektriBeher Weilenleiter in einem Lasermaterial gebildet aus einem ummantelten Kera 24 aus Lasermaterial 28; mit trarißpärentem ;' Mantel 22 mit einem Brephungsindex, der kleiner ist Bis der

AO 2498 - 9. -

Brechungsindex des Kernes. Bei Verwendung eines solchen Mantels ist die Zahl der Schwingungsformen, die sich fortpflanzen kann, gleich der Zahl der dielektrischen Wellenleiter-SchwingungsfOrmen, die unterstützt werden kann* Die Zahl der Schwingungsformen, die sich fortpflanzen können, ist proportional der Differenz der Quadrate der Brschungsindexe des Kernes des Lasermaterials und des Mantels und proportional dem Querschnitt des Kernes.

Der in Figur 3 gezeigte Kern 24 ist mit einer laserfähigen Menge von Neodymionen dotiert. D_er Kern 24 ist tob. einem Mantel 22 umgeben, so daß totale innere Reflexion von Lichtstrahlen auftritt» wie es durch die Pfeile 25 geseigt ist. Die Faser 28 weist einen zweiten Mantel 26 auf} der mit Ionen dotiert ist, ^o daß er Strahlungsenergie der Emissionswellenlänge des Kernes absorbieren kann. Auf diese Weise wird, wie es durch den Fall 27 angedeutet ist_} jede durch den ersten Mantel hindurchtretende Strahlung durch aktive Ionen des Mantels 26 absorbiert. Im Falle eines I.eoöym - Kernes werden normalerweise Samariumionen als absorbierende Ionen im zweiten Mantel verwendet. Bs können aber auch alle anderen Ionen, die "bei 1,06.ja absorbieren und die ebenfalls für das Pumplicht durchlässig sind, verwendet werden.

Bevorzugt wird die von einem Gaslaser ausgesandte Energie mit einem Glaslaser verstärkt, in dem man dazu eine laser verwendet, in der sich nur die niedrigste Sohwingungsform HS₁₁ ausbreitet» Allgemein verbessert jedoch jede Verringerung der Anzahl der sich ausbreitenden Schwingungsformen die Ausführung der Erfindung* Entsprechend kann jede Anordnung, die die Anzahl der Schwingungsformen reduziert,

4/1738

erfolgreich zusammen m.it dem Glaslaser 14 'verwendet werden,, Beispielsweise kann eine Schwingungsform-selektive Anordnung zur Begrenzung der Anzahl der Sehwingungsformen in einem Festkörperstab aus LasermateriaJ. YerYfendet werden? wie sie in der am H.7· 1969 eingereichte». Patentanmeldung der Anmelderin Mr. P 19357405 mit dem Titel ^!*Liehtsignalempfanger" beschrieben ist.

Wie es in Figur 4 gezeigt iat, kann die equiiralente eingekoppelte spontane Emission weiter reduziert werden durch einen engbandigen filter 30, der eine maximale Durchlässigkeit für die Wellenlänge 1_f062i ja. hat. lür eine optimale Wirkungsweise ist es nötig, daß folgende Bedingung erfüllt ist:

SO/" W_Bp(G-1). .

S.ist die Signalleistung, G- die Ausbeute des Glaslasers 14« Die totale spontane Emission W^ ist proportional der Zahl der Schwingungsformen M. Bin optimales Ergebnis wird also erzielts wenn der Laser 14 nur die niedrigste Schwingungβίο rm unterstützt und das Maximum der spontanen Emission bei 1,0621 u liegt. -

In den'optischen Weg der Ausgangs strahl ung 12. ist eine ' Trennstufe 32 gesetzt, die eine Rückkopplung der spontanen Emission des Glaslasers 14 über die zwei Spiegel des Gaslasers 10_s die hier nicht gezeigt sind, reduzieren soll« Ein gewisses Problem ergiebt sich is Hinblick auf die Reflexion durch den hier nicht gezeigtem Austrittsspiegel des Gaslasers TO, da das Licht -rom Gaslaser so emittiert wird, daß seine Wellenfront parallel zu dem Austrittsspiegel liegt. Wenn das durch den Pfeil 12 bezeichnete Laserlicht

001824/1738

BAD ORIQWÄL.

auf den Glaslaser 14 auftrifft, kann dadurch eine spontane Emission des Glaslasers 14 eintreten und vom Ausgangsspiegel des Lasers' IO zum Glaslaser wieder zurückreflektiert werden» Zur Vermeidung dieser Rückkopplung kann ein in einer Richtung durchlässiger Isolator 32 zwischen dem Gaslaser 10 und dem Glaslaser 14 vorgesehen werden. Eine solche Vorrichtung kann

Faraday-Zelle mit ^ „-,_,_ ·,·-,„ a. aus emer/Faraday-arehenden Substanz gebildet sein, die m einer Ebene polarisiertes Licht vom Gaslaser 10 zum Laser H durchläßt, jedoch nicht Licht in der entgegengesetzten Richtung, oder aus einer Kombination eines viertel /\-ELättchens mit einem Polarisator bestehen. Solche Isolatoren lassen die Ausgangsstrahlung 12 des Gaslasers zum Eingang des Lasers 14 hindurch, verhindern jedoch, daß spontane Emission des Glaslasers 14 vom Ausgang.^spiegel des Gaslasers 10 zum Laser 14 reflektiert werden.

Die störende Reflexion an den Grenzflächen (Fresnel-Reflexion) an den Enden des Glaslasers I4 kann durch Verwendung von Antireflexbelägen auf den Enden des Lasers I4 vermieden werden. Es können aber auch die Grenzflächen 35, 37 des Lasers 14 unter einem Winkel von etwa 10° gegen die optische Achse des Lasers I4 geschliffen werden, wie es in Figur 5 gezeigt ist. Dadurch wird durch die Fresnel-Reflexion zurückgeworfenes Licht aus der optischen Achse des Lasers T4 herausrefl,ektiert , so daß schließlich keine Licht wieder in den Laser H eintritt.

Ist Laser I4 ein Faserlaßer, so ist die numerische Aperture der Fasern gegeben durch Γ~λ Γ~

V·¹¹

- ⁿ2

Zur optischen Ankoppelung des vom Gaslaser äusgesandten Iiichtes an die Faser des Glaslasers Η kann eine Linse 36 aiii» einer numerischen Aperture ännlich der der Faser verwendet werden, die die Ausgangsstrahlung 12 des Gaslasers

ÖÖSS2A/1733

BAD

AO 2498 - 12- -ν

auf den Eingang des Glaslasers 14 abbildet.

Bisner wurde die Verstärkung der Ausgangsstrahlung eines Gaslasers durch nur einen Glaslaser beschrieben. In Figur 4 ist eine durch einen zweiten Gläslaserverstärker 15 gebildete zweite Verstärkerstufe gezeigt. Im optischen Strahlengang ist in der verstärkten Ausgangsleistung 16 ein schmalbandiger Filter 30 angeordnet. Wie bereits erklärt wurde,- . ist es nötig, die Ausgangsleistung der ersten Verstärkerstufe zu filtern, so daß die spontane Emission außerhalb der gewünschten Wellenlänge 1,0621 n. verhindert wird. Ist die Signalstärke sehr viel größer als die gesamte spontane Emission, so wird- der Filter nicht mehr benötigt» Auch die entsprechende Verwendung mehrerer, optisch aneinander gekoppelter Glaslaserverstärker ist erfindungsgemäß möglich.

Zusammenfassung Erfindungsgemäß wird ein Gaslaseroszillator optisch an einen oder mehrere Glaslaserverstärker angekoppelt. Die Ausgangsstrahlung des Gaslasers wird an .die Grundschwingungsform der durch den ersten Glaslaserverstärker gebildeten ersten Verstärkerstufe angekoppelt. Durch .Angleichen der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung des Gaslasers an die der maximalen Fluoressenz-Strahlung' entsprechende Wellenlänge des Gläslaserverstärkers resultiert eine •verstärkte Ausgangsleistung mit großer Intensität und großer Kohärenzlänge. .

Pa t e nt an s pr lic he

Claims (10)

3?at ent aneprüc tie

1. Lageranordnung zur Erzeugunghochintensiver,: sehr kohärenter Laserstrahlung, d a d u r c h g e k e η η ζ. e i e hn e t, daß die Anordnung einen als Oszillator arbeitenden Laser (10) zur Erzeugung besonders kohärenter Laserstrahlung (12) einer genau vorbestimmten Wellenlänge und einen optisch angekoppelten Festkörperlaser (H* 15) aufweist, der das vom Gas-Laseroszillatör (10) kommende Signal (12) verstärken und somit das Signal vergrößern kann»

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, d a d. u r ο h g e — kennzeichnet, daß Mittel zur Begrenzung der Anzahl der Schwingungsformen (Moden), die sich in dem Festkörper-Laserverstärker (14» 15) fortpflanzen können, sowie zur Verringerung der spontanen Emission in dem Verstärker vorhanden sind.

3.; Laseranordnung nach Anspruch 2, d a ä u r g ii gekennzeichnet, daß der festkörper-laserverstärker (14, 15) ein Glaslaser ist*

4· Laseranordnung nach Anspruch 3» 3. & d u. r c h g e■'-kennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Lasermaterials des Glaslasers (H* 15) so gewählt ist, daß die der maximalen Intensität der Sluoreasenz-Strahlung entsprechende Wellenlänge und die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung (12) des GaslaserB (10) zusammenfallen.

5. Laseranordnung nach Anspruch 4, d a d u r ο h g e "-kennzeichnet, daß der Glaslaser (Hr .15)

001124/1738

1344965

aus einer Faser (28) bestellt, die nur die ßrundschwingungs form HE₁-J unterstützt*

6. Iiaseranordiiung nach Anspruch 2, d a:d u rc h g e k e η h se I c ίι η e t_f daß sie Mittel· (32) zur Yer-Mnderung einer Rückkopplung durGte spontane Emission auf den festkörperlaser (H) a'ufwei$t. :

7· . LaseranoroUiung nach Anspruca 6,_t da d a.r eh g ek e η η ζ ei ο η η δ t, daß· diese Kittel (32) zur ?erhin.de^ung einer Rückkopplung durch einen Isolator realisiert werden*

8, Iiaseranordnüng nach Insprach S_t dadurch g e—· k θ η. η ζ ei ohne t_t daß zur Yerhinderung der Rückkopplung die Enden (35, 37) des Festkörperlasers (14) in der Weise schräg angeschliffen sind, daß sie die spontane Emission aus der optischen Achse des Festkörper* lasers (14) herausreflektieren. ■

9· Iiaseranordnung nach Anspruch 7* 4 ad ure h ge * k e ή η ze ic h ä e t, da$ der Isolator (32) durch eine Faradayzelle realisiert; wird« * ..",-■.-■·.

10. Ijaseranordnung nach Anspruch 2, d ad ure h ge ■« k e η ti ζ ei c h η e t_s daß der Festkörper-IiaserTrer« stärker aus mehreren leBtfeörper-IjSfcserverstärkern fi4» 15) und eines engbaniigeii Filter (30)? der in der optischen Achse der Festkörperlaser (H? 15) angeordnet , ist, besteht und daßder engbandige Filter (30) ein Mittel zur Yerhinderung merwünschter spontaner Eiaission darstellt. ■