DE2101147A1

DE2101147A1 - Wandlerwellenruckkopplungslaserver starker

Info

Publication number: DE2101147A1
Application number: DE19712101147
Authority: DE
Inventors: Carl James Manchester Skolnick Michael Leonard West Hartford Conn Buczek (VStA)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1971-01-12
Publication date: 1971-09-30
Also published as: JPS4822316B1; FR2083441A1; FR2083441B1; GB1272727A; US3646469A

Description

2Ί0Ί147

patent an .ν λ., it
DR.-PHIL. G. NICK' L · Dii.-IMG. J. DORNER

8 MÜNCHEN IC

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

TEL. (O8I1) 555719

München, 7- Januar 1971 Anwalts-Az.: 14 - Pat. 73

United Aircraft Corp., 400 Main Street, East Hartford, Connecticut ObIO^, Vereinigte Staaten von Amerika

\?;anderwellenrückkopplungslaser\ er stärker

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf laser, insbesondere | auf einen Wanderwellen-Rückkopplungs-Laserverstärker.

Ss ist in der Lasertechnik bekannt, daß die maximale Ausgangsleistung aus einem Lasermedium herausgeholt werden kann, wenn die elektromagnetische Strahlung oder der optische Fluß gleich oder fast gleich der Sättigungsintensität des Lasermediums ist. Es ist auch bekannt, daß die spektrale Qualität der Laserstrahlung, einschließlich der Zahl der Frequenzübergänge und der Stabilität der Frequenzübergänge in Niederleistungsoszillatoren leichter zu steuern ist als in HochleJstungsoszillatoren. Um deshalb eine Hochleistungslaserstrahlung von hoher spektraler Qualität zu erzeugen, Kombinierte man einen tfiederleistungsoszillator mit einem Hochleistungsverstärker. Jedoch ist in den bekannten I Oszillator-Verstärkeranordnungen die Intensität der Laserstrahlung beim Eintritt in den Verstärker nicht gleich dar Sättigungsintensität des Verstärkers,und deshalb wird die maximale Leistung nicht aus demselben herausgenommen. Statt dessen baut sich die Intensität beim Durchlaufen des Verstärkers auf und erreicht den Sättigungswert in einem Punkte nahe dem Ausgang des Verstärkers. vVenn andererseits große Oszillatoren benutzt werden, so daß der Verstärker selbst an seinem Eingang im Sättigungsgebiet betrieben

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wir:.!, ο.-;::!,* wird t . zaer schwieriger eiae _;,pektial rc-Jnc- u.ic 3^f.tbili.· elektro-aiaclet 1 jche .'itrahliuicf u.t Oszillator zu er;:=; ice;» u :c' au3 c e;.ise- Iben a ujzu*-.oppe 1.;.

Lie- Aufgabe der ν or 1 iecencea Erfindung i:st e.'i einen 'Ci...5^!:si'.:::'-sättiebaren Verst?f.ker zu schaffen, weicher VOr₁ ein im klei^eä., sehr .stabilen unc spektral reinen Oszilii: i. or costeuert v/ird .

Jrf i.iduiir-saemä.s.s Wirri ein -äickopplung^verstiirki. ujhc cer oätti-aanga intensität von Einern Oszillator cesteuert, der ein- £traL-iunrzie-Tilich üiedrirer Intensität erzeugt. Liti ' .^Ta nc e rwe .11 ^.-n interje^-aetir, in Je^3en optiüchera Pcad ein ijascrniecUmn ange-'-r:- net ist, ,vir<? in- einer einzigen Richtuna vom Os^illät-./·: ö.icesteaert tr.it einer im Vergleich zur Sättinunasintensität rdeinen Ausganc >1 eijtui.g. ^ie Verstärkuna des Verstärkers hinsichtlich der Verluste i:n Interferoraetei wird derart gewählt, c?:;s cie i.ettoverStärkung gerade unterhalb des für das Jchwince.i Le-.--'t igt er. Schwellv/ertes liect; cies erzeugt dann im wesentlichen ei.nc- ..i'ttic-ung des Verstärkers in Abhäncigke it von einer viel :;'.eineren Einrranr.-3 intens itä t vom Steueroszillator. Label v.'iro ein geschlossenes r.egelungssystem für Regelung ie.; optischen ^e ge angewandt uia 30 die Resonanz frequenz äes aückop; ker.s im wesentlichen bleich der Ausganrsfrequenz ces Treibe^roszillators zu machen.

Lie vorliecende Erfindung .stellt eine rünstiri Anorc'iiang eine.. Oszillators mit einem Verstärker bereit, mit der ein ruaximöler ",'irkungsgrad beim Auskoppeln voa Lasernutzst rahlun- aus einem ilochleistungsvers tärker erreicht wird, während der /ci.teil eines hochstabilen, ^ie ^rleistungsuszillatois besteht. Lie Lrfindunc kann in einer Vielzahl von Aus führung formen ausgeführt werden, und erlaubt die hohe Leistung mit dem hohen V/irkungsgrad des Sättigungsbetriebs bei einer spektralen Qualität unc Steuerbarkeit wie im ^iederle-istungsbetrieb. Weil die variierende Lriindung mit einer Verstärkung unterhalb der kritischen Verstärkung für Selbsterreaung betrieben wird, wird ein spektral reiner Einqanc'sstrahl zu einem spektral reinen Ausgancrsstrahl führer, .vobei keine Sekundäremissionen und unerwünschte Uberaanasfrequenzen innerhalb des Plochverstärkungsbereiches auftreten (dem Rückopplungsverstärker mit Ringiiterferometer). zusätzlich, weil das in-

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terferometsr als Verstärker betrieben wird, kennen all seine .spiegel flache Spiegel sein und so wird die Querschnitts fläche eier strahlung innerhalb des i'inges überall die gleiche wie am Einganc des /iinces sein; dies erlaubt, rass die ^uerschnittsflöche durch die Parameter des Oszillators oder durch Änderung mit Hilfe bekannter optischer Bauteile bestimmt wird. So kann die wuerschnit^sflache der Strahlung innerhalb des Interferometers so <-'i.nv'ählt werden, dass sie optimal zum Ausfüllen des Verstärkermediumö ist, und das gesamte erreate Verstärkermedium kann dazu beitraaen, kutzleistung zu erzeugen. Andererseits können auch oekrümmte Spieeel benutzt werden.

jJ.ie iCrfindunr- wird nun an Hand der beilieeencen Zeichnung, welche beverzurte Ausführunasformen der Erfinduna daastellt, näher be-

schrieben. Darin sino:

Figur 1 ein schema tischen Blockdiagramm einr-r Ausführungsform der verlierenden Erfinduna mit einem Rinainterferometer und nur einem durchlassioen Spxecel, und

Figur 2 ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsforrr. der Erfindung, in welcher zwei durchlass ice Spiegel benutzt wercen .

xn der Fiaur 1 ist eine bevorzugte Ausführungaiorm der Erfindung darrestellt. ;_;it der Ziffer 10 ist ein Laseroszillator bekannter Art bezeichnet. In den vorliecenden Beispiel wird anrenommen, dass dieser ein CO^-Laser ist, welcher bei rund Iu, βμ. arbeitet. Ler maximale Vorteil der vorliegenden Erfindung wire dann erreicht, " wenn cer Oszillator spektral rein und hinsichtlich seiner Frequenz sehr cenau gesteuert ist. Andererseits jscoch arbeitet die vorliegende Erfindung auch mit weniaer komplizierten Oszillatoren. Cer '.ückopplungs verstärker 11 mit Ring interferometer nach der vorliecenden Erfinduna besteht aus mehreren Spieceln 12-14, wovon der Jpiecel 12 teilweise transparent ist, um so die Aus gangs las ej?- strahluna des Oszillators IC in cas Ringinterferometer aufzunehmen. Ein optisches Verstärkungsmedium ist innerhalb des optischen Weges ces Rinainterferometers aneeordnet; z.B. können drei verschiedene L^serverstärkungskammern 16-13 wie in Figur 1 vorgesehen 3ein, oder eine einzige Laserkaramer, wie et>:a die Kammer 13

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je nach den Gegebenen Umstä'nden benutzt werden. Nach der vorliegenden Erfindung ist die Verstärkung der Laserverstä'rkungskamraern 16-18 hinsichtlich der Gesamtverluste im Verstärker 11 so eingestellt, dass die Verstärkung gerade unterhalb des kritischen Verstärkungswertes liegt bei dern Selbsterregung eintritt. Praktisch wird die Verstärkung so eingestellt, dass sie optimal für die maximale Ausganasleistung ist, wodurch eine maximale Verstärkung erzielt wird; danach wird die Reaktionsfähigkeit der Spieael ausgewählt, um die Nutzverstärkung unterhalb des Schwellwertes für Selbsterregung zu halten. Lies garantiert, dass der Verstärker nahe der Sattigungsintensität des Lasermediums arbeitet. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, sind die Verluste solche die durch die Spiegel 12-14, durch Absorption, Streuung, Diffraktion usw. hervorgerufen werden, sowie die Leistung, dargestellt durch einen Pfeil 2O, die über den Spiegel 12 aus dem Verstärker ausgekoppelt wird. Bei dieser Einstellung wird jeder kleine, vom Oszillator IO durch Spiegel 12 eingestrahlte Betrag von Strahlung eine Strahlung nur im Uhrzeigersinn im Verstärker 11 hervorrufen und mit richtig eingestellten Entfernungen der Spiegel 12-14, wie weiter unten erklärt wird, wird der Verstärker schwingend und rückoppelnd arbeiten, und deshalb wird sich die kleine Eingangsstrahlung innerhalb c"es Verstärkers 11 bis nahe an die Sättioungsintensität aufbauen. So wird ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass optische Leistung mit maximalem liirkungsgrad erzeugt wird, in dem ein Verstärker durch ein Eingangssignal, welches viel kleiner als die Sättioungsintensität des Verstärkers ist nahe an der Sättigungsgrenze betrieben wird.

Wie in der Figur 1 dargestellt ist, kann die Resonanz des Verstärkers 11 durch Einstellen der Stellung des Spiegels 14 mit Hilfe eines Übertragers 22, in Abhängigkeit von einem richtungsabhängigen Fehlersignal, das nach eventueller geeigneter Filterung in einem Verstärker 24 an den übertrager gelegt wird, eingestellt werden. Dieses Fehlersignal steht aura Ausgang eines Synchr "etektors 26 zur Verfügung. Der Synchrondetektor 26 ist mit se Bezugseingang 28 an eine Wechselspannuno eines Oszillators

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3O angeschlossen, und der Oszillator 30 liefert auch eine Wechselspannung an den Übertrager 22. Als Folge der Wechselspannung am Übertrager 22 wird die Resonanzfrequenz des Resonanzraumes zyklisch geändert. Die Amplitudenmodulation des Ausgangslaserstrahls 20 lolct aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz des Verstärkers 11 auf der Verstärkungskurve. Die Amplitudenmodulation im Ausgangsstrahl 20 wird durch Messen der Änderungen überwacht, welche durch die Frequenzverschiebung in der Impedanz des Plasmas der elektrischen Entladung einer der Verstärkungskammern 16-18 hervorgerufen wird, im vorliegenden Fall die Verstärkungskammer 18. Ein ?aar Elektroden 32, 34 sind über entsprechende Leitungen 36, 38 an ein geeignetes, stromgeregeltes Hochspannungsgleichstromnefczteil 40 angeschlossen, wobei die Elektroden 36,38 J und das Netzteil 40 in Bezug auf das Lasermedium derart ausgewählt sind, dass eine elektrische Entladung innerhalb der Kammer 18 aufrechterhalten werden kann, wodurch eine Erregung der oberen Energieniveaus des Lasermediums als Folge der Elektronenzusammenstösse erreicht wird. Mit einem Konstantstromnetzteil 40, werden die Änderungen der Impedanz des Plasmas zwischen den Elektroden 32, 34 in Spannungsänderung zwischen denselben umgeformt, welche Spannungsänderung mit Hilfe eines Kondensators 42 an den Signaleingang 44 des Synchrondetektors 26 gekoppelt wird. Wenn sich also die Ausgangsleistung 20 als Folge der Modulation der Resonanzfrequenz des Verstärkers 11 ändert, koppelt der Kondensator 42 die zugehörige Änderung der Spannung zwischen den Elektroden 32, I 34 an den Synchrondetektor"26. Der Ausgang des Synchrondetektors 26 ist eine Fehlerspannung deren Amplitude abhängig von der Amplitude der Spannung am Signaleingang 44 ist, und deren Polarität abhängig ist von der relativen Phasendifferenz zwischen dem Signaleingang 44 und dem Bezugseingang 28. So versucht die Spannung, welche vom Verstärker 24 an den Übertrager 22 angeschlossen wird, den Übertrager derart anzutreiben, dass er den Spiegel in Richtung auf eine Stellung hin bewegt, in welcher die Resonanzfrequenz des Verstärkers 11 mit der Ausgangsfrequenz des Oszillators 10 übereinstimmt.

Wie bekannt ist, wird ein CO.-Laser, welcher bei irgendeinem

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Druck rait Ausnahmedes kleinsten Lruckes betrieben wird, sich homogen sättigen: d.h., wenn der optische Fluss im Lasermedium nahe der Sättigungsintensität dieses Mediums ist, dann ist die Ausgangsleistungs-Frequenzkurve relativ flach. Dies folgt aus der Tatsache, das3 für einen leicht verstimmten Verstärker 11, die Leistungserzeugung leicht abnimmt, dies aber eine höhere Verstärkung erlaubt, weil die Sättiqung3intensität nicht mehr vorliegt, so dass die Änderungen der Aasgangsleistung nahe der Ausgangsfrequenz des Oszillators 10 relativ klein sind für kleine Änderungen der Kammerlänge des Verstärkers 11. Las erzielte Nutzresultat ist eine Verbreiterung der Verstärkungs-Frequenzcharakteristik des Verstärkers 11. Wegen der Verbreiterung dieser Charakteristik des Verstärkers 11, werden kleine Instabilitäten der Resonanzfrequenz des Oszillators kleine, im gewöhnlichen unbedeutende Wirkungen auf die Gesamtverstärkung und die Nutzleistung des Verstärkers 11 haben.

Weil das Lasermedium nahe an der Sättigungsintensität betrieben wird, tritt eine Verbreiterung der Phasen-Resonanzfrequenzcharakteristik des Verstärkers 11 auf. So werden durch kleine Änderungen der Resonanzfrequenz des Verstärkers 11 nur kleine Änderungen der Amplitude des Ausgangssiorals oder kleine Änderunaen der Phase desselben erfolgen, wobei im wesentlichen keine Änderung der Ausgangsfrequenz auftritt. Dies kontrastiert mit bekannten, mit zyklischer Frequenzänderuno stabilisierten Kammern, bei denen eine wesentliche Änderung der Ausgangs frequenz durch die zyklische Längenänderung der Kammer erfolgt. Der Grund dafür ist, dass die Frequenz des Ausgangs des Verstärkers 11 im wesentlichen gleich der Frequenz der Eingangsstrahlung vom Oszillator 10 ist, die kleinen Frequenzänderungen nur aus kleinen Phasenverschiebungen als Folge der sich ändernden Resonanzraumlänge des Verstärkers 11 hervorgerufen werden.

Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in welcher nur ein durchlässiger Spiegel benutzt wird, wobei die beiden anderen zwei (oder mehr) Spiegel vollreflektierend sind. Auch wird die L ,ntancji-gtraiilung durch denselben Spier el eingekoppelt, wie die ^T ..;y jaugsstrahlung

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iiüscekoppelt wiro.

Es sind weitere Ausiführungsformen möglich, so z.B. diejenige welche in Figur 2 äarrestellt ist, wo ein Verstärker 48, drei Spiecel 14, 5ü und 51 umfasst, wovon die Spiegel 50, 51 teilweise durchlässig sind, während der Spierel 14 vollreflektierend ist. In diesem Fall, muss die Reflektionsfähigkeit der Spiegel 50, 51 derart ausgewählt werden, dass den allgemeinen Verlusten im System, der Grosse der auszukoppelnden Leistung und der Grösse der einzukoppelnden Leistung usw. Rechnung getragen wird. Z.B. für einen gegebenen Verstärkungswert, wird die leflektionsiähiokeit der Spiegel 50, 51 so gewählt, dass unabhängig von der Einrangsleistung, die reflektierte Eingangsleistung am Spiegel 50 destruktiv interferiert mit und von einem vom Spiegel 14 auf M cen Spiegel 50 gekoppelten Leistungsbetrag ausgelöscht wird. Somit läuft die gesamte Strahlung um Uhrzexgersinn um und der geeignete Strahlunrrsbetrag wird mit Hilfe des Spiegels 51 ausgekoppelt. Es sei bemerkt, dass die Ausführungs form der Figur 2 nur eine einzige Verstärkungskammer benutzt, obwohl zwei oder drei Kammern wenn gewünscht benutzt werden können (siehe Figur 1) In ähnlicher Weise, obwohl vereinfacht in Figur 2 dargestellt, kann das Resonanz-Frequenzstabilisierungssystem der Figur 1 auf die Verstärkungskammer 18 und den Spiegel 14 angewandt werden.

Obschon die Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 als solche mit einem Dreispiegelringinterferometer dargestellt sind, sei * bemerkt, dass jede Anzahl Spiegel benutzt werden kann, um ein " Vieleck zu bilden, welches für eine gegebene Anwendung der Erfindung geeignet ist. In ähnlicher Weise ist die Erfindung an Hand eines CO--Lasers beschrieben worden, weil dieser Laser sich selbst leicht für den Hochleistungsbetrieb eignet und eine bevorzugte Lasertype in der Lasertechnik ist. Jedoch, vorausgesetzt, dass der Druck im Lasermedium in geeigneter Weise in bezug auf die Art des Lasermediums gewählt ist, sodass eine geeignete flache Frequenz-Verstärkungscharakteristik erzeugt wird, ι können andere Medien, welche für eine gegebene Anwendung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, benutzt werden. Zusätzlich ist es in der Technik bekannt, anstatt von reflektierenden Spie-

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geln geeignete Anordnungen von Prismen oder Gittern anzuwenden um den optischen Weg in sich selbst zu schliessen, und ein Ringinter ferometer bereitgestellt wird, wobei ein teilweise übertragender Spiegel dazu benutzt wird, um die Fingangsleistung in und die Ausgangsleistung aus dem Verstärker zu koppeln. Andererseits, anstatt teilweise übertragende Spiegel zu benutzen, kann Diffraktionskoppelung oder eine andere bekannte Kopplungsart benutzt werden. Ausserdem können andere Resonanzeinstellservos benutzt werden, etwa solche, welche den Ausgangsfluss überwachen.

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Claims

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1.y Eine Laseroszillator-Verstärkerkombination, gekennzeichnet durch einen Ruckopplungslaserverstarker (11) mit einem Verstärkungs-Verlustverhältnis, derart, dass die Nutzverstärkung gerade unterhalb des Schwellwertes für Selbsterregung liegt und welcher Mittel (12) zum Ein-und Auskoppeln zur Laserstrahlung in und aus dem Verstärker besitzt, und ein Laseroszillator (10), welcher eine Laserstrahlung einer Intensität erzeugt, welche wesentlich kleiner als die Sättigungsintensität des Rückopplungslaserverstärkers ist, aber so gross ist, dass der Rückopplungsverstärker nahe an seiner Sättigungsintensität betrieben wird, wobei der Oszillator (10)seine Ausgangsstrahlung auf die genannte Kopplungsvorrichtung (12) richtet. j

2. Die Laseroszillator-Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch aekennzeichnet, dass der Ruckopplungslaserverstarker (11) ein Ringinterferometer begreift, in dessen optischem Weg mindestens ein optisches Verstärkungsmedium (18) angeordnet ist, wobei die Laserstrahlungskopplungsvorrichtung (12) die Ausgangsstrahlung vom Oszillator in das Ringinterferometer nur in einer Richtung injiziert.

3. Die Laseroszillator-Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringinterferometer einen teilweise durchlässigen Spiegel (12) begreift, welcher unter 45 in bezug auf die Strahlung des Oszillators angeordnet ist, und Mittel (13,14) zum Definieren des optischen Weges enthält, wodurch die " Laserausgangsstrahlung (2O) des Verstärkers durch der Kopplungsspiegel (12) senkrecht zur Eingangsstrahlung ausgekoppelt wird.

4. Die Laseroszillator-Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch aekennzeichnet, dass der rückoppelnde Ring des Verstärkers eine Vorrichtung (22) zum Einstellen der Resonanz desselben umfasst und weiter Mittel (42, 44) vorgesehen sind, welche auf die Amplitude des Laserflusses ansprechen um die Resonanz des Verstärkers der Frequenz der Ausgangsstrahlung des Oszillators aleichzumachen.

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