DE2101205A1 - Modenblockierter Injektionslaser oszillator - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE
t>R.-PHJL. G. NICKEL ■ DR.-ING. J. DORNER

8 MÖNCHEN 15
tANDWEHRSTR. 35 . POSTFACH 104

TEL. (08 11) 55 5719

München, Ö.Januar 1971 Anwalts-Az.: 14 - Pat. 74

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Connecticut 0610Ö, Vereinigte Staaten von Amerika

Modenblockierter Injektionslaseroszillator

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungslaseroszillator, der bezüglich der Mittenfrequenz eines Miederleistungs-Bezugs-Laseroszillators modenblockiert ist (phase-lock-Betrieb).

In der Hochleistungslasertechnik ist es bekannt, daß der größte Wirkungsgrad und die größte Ausgangsleistung in einem gegebenen Lasermedium nur dann erreicht wird, wenn das Lasermedium mit einer Strahlungsintensität betrieben wird, welche nahe der Sättigungsintensität des Lasermediums liegt. Andererseits wird die spektrale Qualität und die Stabilität der Ausgangsfrequenz optimal in einem relativ schwachen und kleinen Laseroszillator. Deshalb ist vorgeschlagen worden, daß ein Hochleistungslaseroszillator mit einem sorgfältig gesteuerten Hiederleistungsoszillator modenblockiert wird, durch Injektion des Signals vom ifiederleistungsoszillator in den Hochleistungsoszillator. Die Parameter der beiden Oszillatoren wurden dabei so ausgewählt sein, daß die Oszillatoren miteinander phasenblockiert sind, und wenn eine Rückwirkung vom Hochleistungsoszillator auf den Niederleistungsoszillator vermieden wird, die Ausgangsleistung des Hochleistungsoszialltors im Hinblick auf seine Spektraleigenschaften vom Miederleistungsoszillator gesteuert wird. Infolge der Unbeständigkeiten dieses Laserresonanzraumes, und im besonderen wegen der Unbeständigkeiten in einem Hochleistungslaseroszillator war es jedoch bis jetzt unmöglich eine solche nutzbringende Oszillator-Oszillatorkombination zu bauen.

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Es ist bekannt Servoeinrichtungen zu benutzen, welche die Länge des Oszillators einer Zitterbewegung unterwerfen, um die physikalische Resonanz des Oszillatorraumes an die Übergangsfrequenz des gewählten Mediums anzupassen. Jedoch würde dies in Oszillator-Oszillatorkombinationen nicht möglich sein, weil der Leistungsoszillator, wenn derselbe im Hinblick auf seine Resonanz gesteuert würde, nur in Richtung auf die Übergangsfrequenz seines eigenen Lasermediums gesteuert würde, welche aus der Vielzahl von Gründen von der Frequenz des Wiederleistungstreiberoszillators verschieden sein kann. In der Tat ist es fast unmöglich sicherzustellen, dass die Übergangsfrequenz des Hochleistungsoszillatormediums genau die gleiche ist wie die Ausgangsfrequenz des xiiederleistungsoszillators.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine phasenblockies te Oszillator-Oszillatorlaseranordnung zu schaffen, welcher die obengenannten Nachteile nicht anhaften.

Gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein Niederleistuiigsbezugslaseroszillator über eine geeignete rückkopplungsfreie Vorrichtung an einen Hochleistungslaseroszillator angekoppelt, wobei die Parameter der Oszillatoren derart ausgewählt sind, dass die Betriebsfrequenzen ungefähr die gleichen sind, wobei die physikalische Resonanz des Hochleistungslasers gesteuert wird, um mit der Ausgangsfrequenz des Niederleistungsbezugsoszillators übereinzustimmen. Dabei wird die Verstärkung des Hochleistungsoszillators derart gesteuert, dass eine unterhalb der Sättigungs-Strahlungsintensität, welche im selbst erregten Zustand erzeugt wird, auftritt und die Sattigungsintensität nur bei der Übergangsfrequenz des Bezugsoszillators als Folge des zusätzlichen vom Bezugslaseroszillator in den Leistungsoszillator injizierten zusätzlichen Flusses erreicht wird.

Die vorliegende Erfindung erlaubt es eine Hochleistungslaseranordnung in der schwingenden Betriebsart zu betreiben, und dadurch im Sättigungsbereich der Intensität des Lasermediums zu arbeiten, wobei Wirkungsgrad, Verstärkung und Ausganasleistung maximal sind, während die Vorzüge eines iMiederleistung^oszillators in der Steuerung für die spektrale Qualität beibehalten bleiben. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung relativ ein-

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fach zusammenzubauen und zu steuern, und kann in einer grossen Anzahl von Anordnungen für verschiedene Anwendungen gebaut werden.

Die" vorliegende Erfindung wird nun an Hand der beiliegenden Zeichnung, welche eine bevorzugte Ausführungs form der ErEndung darstellt, näher beschrieben. Darin sind:

Figur 1 eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem einen Ringinterferometer enthaltendem Leistungsoszillator;

Figur 2 eine Darstellung der Ausgangsleistung als Funktion der Frequenz in einem gemäss der Erfindung betriebenen Oszillator;

Figur 3 eine Darstellung der Ausgangsleistung als Funktion der Reflektionsfähigkeit des Aasgangsspiegels in einem die vorliegende Erfindung enthaltenden Lasers; und

Figur 4 ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm des allgemeiaen Gedankens einer Oszillator-Isolator-Oszillatoranordnung der vorliegenden Erfindung.

tie Fissur 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, welche einen Niederleistungsbezugslasertreiberoszillator begreift, der von irgendeiner, bekannten Type sein kann. In dem hier beschriebenen Beispiel wird angenommen, dass der Laseroszillator ein C0₂-Oszillator ist, der bei rund 10, &/U arbeitet. Der grösste Vorteil der vorliegenden Erfindung wird dann erreicht, wenn der Oszillator spektral rein ist und eine genau gesteuerte Frequenz erzeugt. Andererseits jedoch, kann die vorliegende Erfindung auch in Abhängigkeit von weniger genauen Oszillatoren arbeiten. Der Hochleistungslaseroszillator nach der vorliegenden Erfindung enthält ein Ringinterferometer 11, welches von mehreren Spiegeln 12-14 aebildet wird, wobei der Spiegel 12 teilweise transparent ist, um so die Laserausgangsstrahlung des Oszillators 10 in das Ringinterferometer aufzunehmen. Einer oder mehrere der Spiegel, wie der Spiegel 13, können konkav sein, um das.Schwingen zu verbessern, aber die drei Spiegel können auch flach sein. Ein optisches Verstärkungsmedium ist im optischen Pfad des Ringinterferometers angeordnet; z.B., drei verschiedene La serverstarkungskantmern 16-18, können vorgesehen sein, wie in Figur 1, oder eine

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einzige Kammer, wie die Kammer 18, kann benutzt werden. Ein !deiner Teil der Eingangsstrahlung vom Bezugsoszillator Io durch den Spiegel 12 wird zusätzliche Strahlung beim Durchlaufen des Interferometers im Uhrzeigersinn nur im Oszillator 11 erzeugen, und wenn der Abstand der Spiegel 12-14 genau eingestellt ist, wie hiernach beschrieben wird, wird der Oszillator 11 mit der Ausgangs frequenz des Bezugsoszillators 10 schwingen und so wird die kleine Eingangsstrahlung den Fluss, welcher durch das Eigenschwingen im Oszillator 11 erzeugt wird, verstärken, und deshalb wird der Gesamtfluss bis zur Sattigungsintensität angehoben werden. Folglich wird ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, dass der grösste Wirkungsgrad für die optische Leistungserzeugung erreicht wird in dem ein Hochleistungsoszillator im Sattigungsgebiet phasenblockiert betrieben wird mit einem spektral reinen Eingangsbezugssignal kleinerer Intensität als die des Ausgangs des Hochleistungsoszillators.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, kann die Resonanz des Oszillators 11 durch Einstellen der Stellung des Spiegels 14 mit Hilfe eines Übertragers 22 in Abhängigkeit von einem richtungsabhängigen Fehlersignal, welches von einem Verstärker 24 an diesen geliefert wird, nach eventueller geeigneter Filterung, und das am Ausgang eines Synchrondetektors 26 zur Verfügung steht, eingestellt werden. Der Synchrondetektor 26 ist mit seinem Bezugseingang 28 an eine Wechselspannung eines Oszillators 30 angeschlossen, der ebenfalls eine Wechselspannung an den übertrager 26 liefert. Als Folge der an den übertrager 22 gelieferten Wechselspannung wird die Resonanzfrequenz des Resonanzrauines zyklisch verändert. Durch die Änderung der Resonanzfrequenz des Hochleistungsoszillators 11 um die Frequenz des Eingangsflusses vom Bezugsoszillator wird der Laserausgangsstrahl 20 amplitudenmoduliert. Die Amplitudenmodulation des Ausgangsstrahles 20 wird durch Messen der zugehörigen Änderungen, welche dadurch in der Impedanz des Plasmas der elektrischen Entladung einer der Verstärkungskammern 16-18 auftritt, überwacht. Im vorliegenden Beispiel wird dazu die Kammer 18 benutzt. Ein Paar Elektroden 32, 34 ist über entsprechende Verbindungsleitungen 36, 38 an eine geeignete stromregulierte Hochspannungsgleichstromquelle 40 angeschlossen,

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wobei die Elektroden 36, 38 und die Leistungsquelle 40 derart mit Bezug auf das Lasermedium gewählt sind, dass eine elektrische Entladung innerhalb der Verstärkungskammer 18 aufrechterhalten werden kann, wodurch die oberen Laserenergieniveaus im Lasermedium als Folge der Elektronenzusammenstösse erregt werden. Mit einer Konstantstromquelle 40 führt jede Änderung der Impedanz des Plasmas zwischen den Elektroden 32, 34 zu einer Änderung der Spannung zwischen diesen Elektroden, welche Spannungsänderung mit Hilfe eines Kondensators 42 an den Signaleingang 44 des Synchrondetektors 25 gekoppelt werden kann. Folglich, wenn sich die Ausgangsleistung (20) als Folge der Modulation der Resonanzfrequenz des Oszillators 11 ändert, koppelt der Kondensator 42 die zugehörige Änderung der Spannung zwischen den Elektroden 32, 34 an den Synchrondetektor 26. Der Ausgang des Synchrondetektors 26 ist eine Fehlerspannung, deren Amplitude von der Amplitude der Spannuncr am Signaleingang 44 abhängt und deren Polarität von der relativen Phasendifferenz zwischen dem Signaleingang 44 und dem Bezugseingana 28 abhängt. Folglich versucht die vom Verstärker 24 an den Übertrager 22 angelegte Spannung den übertrager so zu eneqen, dass er den Spiegel in Richtung auf eine stellung hin bewegt, in welcher die Resonanzfrequenz des Oszillators 11 mit der Ausganasfrequenz des Bezugsoszillators übereinstimmen wird.

Im Betrieb wird die Reflektionsfähigkeit des Ausqangsspieaels 12 so gewählt, dass sie niedriger ist als die Reflektionsfähigkeit, welche für die maximale Ausgangsleistung erforderlich ist, welche in Fiaur 3 daraestellt ist. Mit anderen Worten, die Übertragungseigenschaften des Spiegels werden so ausgewählt, dass ein greiserer Teil des Lichtflusses ausgekoppelt wird, als wenn die Reflektionsfähiakeit für die maximale Ausgangsleistung als Folge der Selbsterregung des Hochleistungsoszillators 11 allein sein müsste. Wie in der Figur 2 darqestellt ist, ist die Maximalintensität des Lichtflusses bei Selbsterreaung derart wie durch die gestrichelte Linie 50 angedeutet, und dies kontrastiert mit der optischen Ausgangsleistung als Funktion der Freqienz, die bei optimaler Reflektionsfähigkeit (R opt, in Figur 3) erreicht würde, dargestellt durch die gestrichelte Linie 52 in Figur 2. Der kombinierte Ausgang, der aus der Selbsterregung (50) und dem in den

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Oszillator 11 vom Oszillator 12 injizierten Flus.3 resultiert , ist durch die ausrezoaene Linie 54 in der Figur 1 dargestellt. Es muss bemerkt werden, dass so, wenn der Treiberoszillator lü bei einer bestimmten Frequenz betrieben wird, eine sehr scharfe Spitze in der Ausgangsleistunq-Frequenzcharakteristik der kombinierten Oszillatoren 10. 11 um die Ausaangsfrequenz des Bezuqstreiberoszillators 10 auftritt. Somit er-.ibt die vorliegende Erfindung eine Ausqangsleistung- Frequenzcharakteristik, welche bei der Ausgangs frequenz des Bezugsoszillatora 10 maximal ist, eher als bei einer bevorzugten Übergangs frequenz des La,iermediums des Hochleistungsoszillators 11. Dies erlaubt die Gesamtleistung zu messen und die physikalische Resonanz des Hochlexstunqsoszillators auf maximale Ausqangsleistung einzustellen, und dadurch zu erreichen, dass die physikalische Resonanz des Hochleistungsoszillators auf die Ausgangs frequenz des Treiberoszillators einqestellt ist.

Es ist eine besondere Eigenschaft der vorlienenden Erfinduno, dass weqen der Tatsache, dass die scharfe Spitze in cer Ausganqscharakteristik sich über ein breiteres Frequenzband erstreckt als der Bereich der Frequenzdifferenz in dem der Hochleistunasoszillator phasenblockiert mit dem Treiberoszillator ist, die vorlieqende Erfindung nur erfordert, dass cer Servo die physikalische Resonanz des Kochieistungsoszillators irgendwo innerhalb des Hochleistunqsausgangsfrequenzbandes, das heisst innerhalb der Spitze der Kurve 54 der Figur 2 hält, sodass der Hochleistungsoszillator phasenblockiert mit dem Treiberoszillator ist, selbst wenn seine Resonanzfrequenz etwae gegenüber der genauen Frequenz des Bezugsoszillators verschoben ist. Ist dies der Fall, dann ist es unwichtig, dass die physikalische Resonanz des Hochlei3tunqsoszillators, wie vorhin beschrieben, einer zyklischen Veränderung unterlieot, da sich dies in keiner Weise materieLl als Frequenzmodulation des Ausgangsstrahles auswirken wird. In der Tat, wenn der Treiberoszillator Io ohne Frequenzmodulation seines Ausgangs stabilisiert ist, dann wird der Ausgang des Hochleistungsoziilators, wenn servounterstütztes Injektionsphasenblockierennach der vorliegenden Erfindung angewandt wird, in ähnlicher Weise keine merkbare Frequenzmodulation aufweisen.

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Obwohl bei der vorlieaenden Erfindung eine Strahlung in einen Rincrinterferometer nur in einer Richtunq vom Oszillator injiziert wurde, und dadurch Rückkopplungsfreiheit zwischen dem Leistungsoszillator und dem Treiberoszillator erreicht wurde, sei bemerkt, cass wie in Figur 4 daraestellt ist, jeder in geeianeter Weise optisch isolierter (50) Bezugsoszillator 10a und Hochleistunasoszillator 11a die vorliegende Erfindung anwenden können. Das einzige Kriterium der vorliegenden Erfindung ist es eine Gesamtausgangsleistung-Frequenzkurve der kobminierten Oszillatoren zu erreichen, welche eine relativ scharfe Spitze bei der Ausgangsfrequenz des Bezugsoszillators aufweist, zusammen mit einem Servosystem mit dem die physikalische Resonanz des Hochleistunasoszillators auf das Spektrum der relativ scharfen kombinierten Spitze hingebracht wird, wodurch Phasenblockieren der beiden Oszillatoren auftritt.

Auch stellt die jetzt beschrieben Ausführungsform eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, welche nur einen Spiegel mit übertraaungseigenschaften beinhaltet, währenädie beiden (oder mehrere) andern Spiegel vollreflektierend sind. Auch ist der Bezugsoszillator über denselben Spiegel an den Hochleistungsoszillator aekoppelt über den der Ausgang angekoppelt ist. Andere Ausführungsformen der vorlieaenden Erfindung können eine arosse Zahl von Gestaltungen umfassen; eine davon ist in der Figur 2 der US Anmeldung 21.320 vom 20. März 1970 beschrieben. In derselben besitzt ein Verstärker drei Spiegel von denen zwei teilweise durchlässig sind, während einer vollreflektierend ist. Wie bekannt ist, können die Rollen vertauscht werden und das Wanderwelleninterferometer kann als Bezugsoszillator benutzt werden, und einFabray-Perot oder anderer Oszillator als Leistungsoszillator. Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform benutzt drei Verstarkungskammern, obschon eine oder zwei Verstärkunaskammern auf Wunsch benutzt werden können. In ähnlicher Weise, obschon die Ausführungsform der Erfindung als Dreispiegelringinterferometer dargestellt ist, sei bemerkt, dass jede Zahl Spiegel benutzt werden kann, um so ein Polygon zu erreichen, welches für eine gegebene Anwendung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. In ähnlicher Weise wurde die vorliegende Erfindung

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in Verbindung mit einem CO_-Laser beschrieben, weil dieser Laser sich von sich aus für Hochleistungsbetrieb eignet und eine bevorzuote Lasertype in der geläufigen Technologie ist. Zusätzlich ist es bekannt anstatt von vollreflektierenden Spiegeln eine geeignete Zusammenstellung von Prismen und/oder Gittern zu benutzen um den optischen Pfad in sich selbst zu schliessen, wodurch ein Ringinterferometer bereitgestellt ist, und ein teilweise übertragender Spiegel benutzt wird, um die Eingangs leistung in den Oszillator 11 zu koppeln. Andererseits, kann anstelle von teilweise übertragenden Spiegeln, eine Diffraktionskoppelung oder andere bekannte Kopplungsarten benutzt werden, um Injektion und Auskopplung zum und vom Verstärker zu erreichen.

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Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE

1. ) Laseranordnung, gekennzeichnet durch einen Niederleistungsbezugslaseroszillator (10), eine Hochleistungslaseroszillatoranordnung (11), begreifend eine Kopplungsvorrichtung (12) zum rückkopplungsfreien Ankoppeln des Ausgangs des Niederleistungsbezugslaseroszillators (10) an die Hochleistungslaseroszillatorvorrichtung (11), wobei die Kopplungsvorrichtung (12) auch die Auskopplung der Leistung aus der Hochleistungslaseroszillatorvorrichtung (11) mit einer Obertragungsfähigkeit, welche grosser als diejenige für maximal Ausgangsleistungskopplung bei Selbsterregung der Hochleistungsozillatorvorrichtung ist, zulässt, und Mittel welche auf die Amplitude der von der Hochleistungslaservorrichtung (11) ausgekoppelten Ausgangsleistung ansprechen zum Einstellen der physikalischen Resonanz der Hochleistungslaservorrichtung innerhalb des Frequenzbandes in welchem Phasenblockieren zwischen den Oszillatoren bestehen kann.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Obertragungsfähigkeit der Auskopplungsvorrichtung (12) gross genug ist, um den aus der Selbsterregung der Hochleistungslaseroszillatorvorrichtung resultierenden Fluss zuzüglich des vom Niederleisimgsbezugsoszillators in die Hochleistungslaseroszillatorvorrichtung injizierten Flusses zu übertragen.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochleistungslaseroszillatorvorrichtung ein Wanderwelleninterferometer begreift.

4. Laservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringinterferometer einen unter 45° zum injizierten Lichtefluss angeordneten teilweise durchlässigen Eingangs-Ausgangskopplungsspiegel (12) umfasst und Lichtpfadbegrenzungsvorrichtungen (13, 14) begreift, die bewirken, dass der Lichtfluss durch den Eingangs-Ausgangskopplungsspiegel (12) senkrecht zum Eingänge licht fluss durchtritt.

5. Laservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jene Lichtflusswegbestimmungsvorrichtungen (13, 14) ein Paar Spiegel begreifen, welche in bezug auf den Eingangs-Ausgangskopplungsspiegel derart angeordnet ist, dass der Lichtflussweg

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ein gleichschenkeliges, rechtwinkeliges Dreieck bildet in dessen rechtem VZinkel der Eingangs-Ausgangakopplungsspiegel (12) angeordnet ist.

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