DE2127707A1

DE2127707A1 - Relaxationsoszillator

Info

Publication number: DE2127707A1
Application number: DE19712127707
Authority: DE
Inventors: Hans Guenter Matawan NJ Danielmeyer (VStA)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-06-10
Filing date: 1971-06-04
Publication date: 1971-12-16
Also published as: SE373461B; US3633124A; FR2094170A1; BE768191A; FR2094170B1; NL7107703A; GB1321389A

Description

ianielmeyer

WESTERN ELECTRIC COMPANY INCO.iPOxiATED Danielmeyer

New York

Relaxationsoszillator

Die Erfindung bezieht sich auf Relaxationsoszillatoren mit Lasern.

Die Relaxationsschwingung in einem Pestkörperlaser ist ein i Schwingungstyp, der auf verschiedene Weise auftreten kann, z. B. in Form eines Impulszüges mit einer Impulsfolgefrequenz, die nahezu gleich der Relaxations-Schwingungsfrequenz ist. Diese Impulse sind für einige Anwendungsfälle wesentlich, und zwar wegen der wirksamen "Speicherung" des vorhergegangenen Ablaufs der Besetzungsumkehr, die bezüglich der Phase und der Amplitude regelmäßigere Impulse als die Q-Schaltungsimpulse hervorruft. Obwohl Relaxations-Schwingungsimpulse mit einer viel niedrigeren Polgefrequenz auftreten und eine ähnliche Spitzenleistung wie Impulse bei phasenstarrer Kopplung von Eigenschwingungen in einem vergleichbaren Pestkörperlaser haben, liefern sie eine wesentlich höhere Impulsenergie im Vergleich zu der raschesten Poige von Q-Schaltungsimpulsen bei einem vergleichbaren Laser. Die Kombination aus einer stabilen Spitzenleistung, einer hohen Impuls-Gesamtenergie, einer mittleren Impuls-

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folgefrequenz der Phasenregelmäßigkeit macht ßelaxationsschwingungsimpulse für viele .Anwendungsfälle, z. B. für optische Speicher und Mikroschweißung besonders geeignet und wünschenswert.

Bs sind zwar verschiedene Steuermethoden zum Relaxationsschwingungspulsen von Halbleiterlasern, z„ ß. Halbleiter-Injektionslasern bekannt; diese Methoden sind jedoch nicht direkt zur Steuerung von Relaxationsschwingungsimpulsen in Festkörper-Lasern unter Verwendung von dielektrischen oder Glas-Wirtsgittern für das aktive Material geeignet, und zwar wegen der Unterschiede in den physikalischen Grundlagen der beiden unterschiedlichen Typen von Festkörper-Lasern.

Obwohl eine gelegentliche Kontrolle der Relaxationsschwingung in dielektrische Kristall- oder Glas-Wirtsgitter verwendenden Lasern bereits aufgetreten ist, war die Kontrolle bzw. Steuerung der Relaxationsschwingungen dann, wenn die Schwingungen dem gesteuerten Pulsen bei phasenstarrer Ei genschwingungskopplung in solchen Lasern als Störungen überlagert waren, ungenau und verfälscht, und zwar wegen der Erfordernisse bei der Steuerung der phasenstarren Eigenschwingungskopplung. In jedem Falle erfüllte eine solche Steuerung nicht die Kombination von erwünschten Eigenschaften, die erzielt wird, wenn die Impulsfolgefrequenz die Relaxationsschwingungsfrenuenz ist.

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Die Erfindung geht aus von einem Relaxationsoszillator mit einem Laser, der ein aktives Pestkörpermedium, eine

für die das aktive Medium zur Erzeugung einerVstimulierte Emission von Strahlung geeigneten .Besetzungsumkehr optisch anregende Einrichtung und einen Resonator aufweist, wobei das aktive Medium, die Aoregungseinrichtung und der Resonator zusammen eine gewählte Relaxationsschwingungspulsfrequenz für den Laser hervorrufen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine eine periodische Störung bei der gewählten Frequenz erzeugende Quelle und eine die Relaxationsschwingungs- ^ pulsphase auf die Phase der periodischen Störung stabilisierende Einrichtung mit einem externen Rückkopplungskreis, zu dem eine Detektoreinrichtung zur Bestimmung einer Phasendifferenz der Puls- und der Störungsfrequenz und eine von der Detektoreinrichtung gesteuerte Einrichtung gehören, welch letztere zum Verringern der Phasendifferenz die gesamte optische Anregungsleistung ändert.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird bei einem optisch angeregten Festkörper-Laser eine Anordnung zum Steuern des Relaxationsschwingungspulsens verwendet, wobei die Differenz zwischen der Phase einer festen periodischen Störung des Anregungslichts oder der Resonatorverluste und der Phase des Ausgangsimpulszuges extern bestimmt und sodann rückgekoppelt wird, um die Gleichstromkomponente des Anregungslichts zum Wiederherstellen einer festen Beziehung

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zwischen der Laser-Ausgangsimpulsphase und der Phase der periodischen Störung zu ändern. Die periodische Störung kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung von einem kleinen Halbleiter-Laser erzeugt werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird das Relaxationsschwingungspulsen einer einzelnen Laser-Eigenschwingung und Frequenz erzwungen und gesteuert, wenn Einzelfrequenzbetrieb erreicht ist, in dem das Einbrennen von Löchern verhindert wird. Dies geschieht durch Ändern des optischen Abstandes zwischen den Enden des Laserstabs und den entsprechenden Reflektoren des Resonators in umgekehrter Beziehung, um eine im wesentlichen konstante optische Länge des Resonators aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise in Form eines Blockdiagramms

dargestellte erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 Kurven zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 3 sich auf die durch Steuern der Anregungsleistung bei der Ausführungsform nach Fig. 1 erzielte Steuercharakteristik beziehende Kurven; und

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Pig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform zum gesteuerten ReI axat ionsschwingungspul sen einer einzigen Laser-Jüigenschwingung und Frequenz ο

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist es erwünscht, einen Impulszug im Bereich von zum Relaxationsschwingungspulsen eines Lasers 12 charakteristischen Frequenzen zu erhalten, da Impulse in einem solchen Frequenzbereich zur Weiterver-•wendung in einer Vorrichtung 14, z, B, einem Mikrosehweißapparat, besonders geeignet sind, wenn die Impulse eine genügend gleichmäßige Phase und Amplitude haben. Der Laser 12 besitzt ein Kris tall-(oder (Jl as-) Wirtsgitter für das aktive Medium 13.

Das aktive Medium 13 verwendet beispielsweise ein Yttriumaluminiumgranat-Wirtsgitter (YAG), das als Bestandteil Neodym enthält". Der Laser 12 weist einander gegenüberliegende Reflektoren 15 und 16 auf, welche den typischen optischen Resonator eines solchen Lasers bilden,

Bei dieser Ausführungsform sind die Reflektoren 15 und 16 dielektrische Mehrschichtreflektoren, die teilreflektierend jedoch auch in der Größenordnung von einigen Prozent durchlässig sind.

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Der Laser 12 wird durch eine von einem gesteuerten Gleichst romnetzteil 1d erregte Anregungslampe 17 angeregt. Der Netzteil 1Ö ist steuerbar, und zwar teilweise deshalb, da die mittlere Ausgangsleistung der Anregungslampe mit der Zeit nachläßt und auch die Relaxationsschwingungspulsfrequenz geringer wird. Unabhängig von dem Grund für die Änderung der Pulsfrequenz wurde festgestellt, daß der Leistungspegel der Anregungslampe 17 ein günstigerer Parameter zur Änderung und Steuerung der Frequenz (Folgefrequenz) und anderer Charakteristiken für das Relaxationsschwingungspulsen ist.

Die Relaxationsschwingungspulsfrequenz kann bei einer vorgegebenen Leistung der Anregungslampe 17 berechnet werden. Es wurde gefunden, daß es wünschenswert ist, das Pulsen bei der Relaxationsschwingungsfrequenz zu erzwingen, z. B. durch die modulierte Anregungslampe 19, deren Licht beispielsweise mit Hilfe einer Linse 20 durch den teildurchlässigen Reflektor 15 zum zusätzlichen Anregen des Laser-aktiven Mediums 13 fokussiert wird. Die Modulationsfrequenz der Anregungslampe 19, die beispielsweise eine bei einer Wellenlänge von O,ö1 Mikrometer arbeitende Lumineszenzdiode ist, wird auf eine stabile feste Frequenz eingestellt, da es in der Regel nicht zweckmäßig ist, diese Frequenz zu verändern. Vielmehr wird die Relaxationssehwingungspulsfrequenz auf diese Frequenz stabilisiert, und ebenso wird die Relaxationsschwingungspulsphase relativ zur Phase der modulierten Anregungslampe 19 stabilisiert.

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Die Frequenz der modulierten Anregungslampe 19 wird von einem stabilen Quarzoszillator 21 bekannter Ausführung bestimmt, der beispielsweise bei etwa 150 kHz arbeiten kann. Das Ausgangssignal des Oszillators 21 wird verstärkt und der Anregungslampe 19 über einen Pufferverstärker 22 zugeführt.

Die externe Steuerschaltung zum Stabilisieren der Relaxationsschwingungspulse für den Laser 12 weist einen Strahlaufteiler 23 auf, der im Strahlengang der Ausgangslichtimpulse schräg | angeordnet ist, undeinen Teil der Impulse zu einem Filter ablenkt. Das Filter 24 eliminiert eine störende Lumineszenz des laser-aktiven Mediums 13 beispielsweise durch Sperren oder Absorbieren von Frequenzen des sichtbaren Spektrums. Das Filter 24 läßt danach den Laserlicht-Impulszug zu einem Photodetektor 25 durch, der ein Ausgangssignal erzeugt, welches für die Phase und Amplitude der Lichtimpulse bei der RelaxationsSchwingungsfrequenz repräsentativ ist. Der Photodetektor 25 ist daher beispielsweise eine Photodiode, die auf eine Frequenz von 150 kHz geeignet ansprechen kann.

Das Ausgangssignal des Photodetektors 25 wird an den Eingang eines Phasendetektors bzw. -sensors 27 angelegt. Ein Teil des Ausgangssignals des Oszillators 21 wird mittels eines Phasenschiebers 26 in geeigneter Weise phasenverschoben, um einen Nullabgleich am Phasendetektor 27 hervorzurufen, wenn

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die Relaxationsschwingungen des Lasers 12 die berechnete Frequenz haben. Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 26 wird an einen anderen Eingang des Phasendetektors 27 gelegt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 27 wird zur Steuerung des Leistungspegels des Fetzteils 1ö verwendet, wobei der Leistungspegel derart nachgesteuert wird, daß das Ausgangssignal des Phasendetektors 27 auf Null zurückgesetzt wird, da der Laser 12 auf eine Änderung des Leistungspegels des Netzteils 16 anspricht.

Die theorietischen Grundlagen der Betriebsweise der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform können wie folgt erläutert werden: die Empfindlichkeit von Lasern auf Pumpenergie Schwankungen wurde theoretisch analysiert von D. E. HcCumber (Phys. Rev. 141, 306-22, 1966) „ Eine angewandte theorietische Lösung wird in diesem Zusammenhang verwendet, welche die Phasenbeziehungen und andere für die Anwendungen notwendigen Informationen umfaßt. Unter Verwendung der geeignet abgeleiteten Geschwindigkeitsgleichungen und durch Modulation der mittleren effektiven Anregungsleistung

hvß= tfw I (i+?/rrJ(L+T) mit einem Faktor (1+cO wobei

S XL

ct=!e^iu!t, (1)

erhält man für die Photonenmodulation

tf (2)

die Lösung

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U _

1/2

β = -arctg [2aiy (u^-w²)]. (4)

Es läßt sich zeigen, daß Gleichung (3) ein spezieller Fall des McCumberschen Intensitäts-Schwankungsspektrums ist. Um die Ableitung aus sich heraus verständlich zu machen, werden die Symbole im folgenden erläutert:

= (r_Afp)~ Relaxationsschwingungs-Kreisfrequenz

-1 Λ

a = (τ +τ-α )/2 Dämpfungskonstante

T = Fluoreszenz-Lebensdauer (2.3.10 s) Tq = 2/ζ/ο(ΐι+Τ) Lebensdauer bei kaltem Resonator 1-n = ΤΤω I T^r/P Lebensdauer bei stimuliertem Zustand

I = Sättigungsparameter (32OW/cm )

P = mittlere Ausgangsleistung

T = Ausgangstransmission (0_;02)

L = Laserverluste mit Ausnahme der Ausgangstransmission (0^01)

X = optische Länge des Resonators (5t1 cm)

c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ^

W = 1/c² Strahlradius im Stab (ü_;0ö cm)

R = 2B<f/h\?cT mittlere Photonenzahl im Hohlraum

Der mit einem 100 mW Wd:YAG-Laser bei einem Anregungs-Modu-

Λ — ^

lationsindez von a, = 10 erhaltene Modulationsindex ist durc h die kurve 31 in Fig. 2 dargestellt. Die volle Halbwerts-

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treite der Relaxationsschwingungsspitze ist 2 "7 3a = 19 kHz bei einer Relaxationsschwingungsfrequenz <*] /2ΐί =150 kHz. Die drastische Phasenänderung bei Resonanz, wie sie aus der kurve 32 gemäß Fig. 2 zu sehen ist, kann zur tfetriebssteuerung ausgenutzt werden. Definiert man einen Verstärkungsfaktor S = ja/Ra- , das Verhältnis des Ausgängsmodulations-

A Λ

index 0 /P = 0/R zum Anregungsmodul at ionsinde χ cl, so erhält man für u/= uj . d. h. Modulation bei der ReI axat ions schwingungs-

^Λ 1/2

frequenz, S = (Τ,/Γ.) ' und €,= -ΤΤ/2. Dies ist die maximale Empfindlichkeit des Lasers auf Anregungsmodulation. Für den

oben genannten Nd:YAG-Laser ergibt sich S = 100. Daher wird nur eine sehr geringe Anregungsmodulation zur iürzieiung einer beträchtlichen Ausgangsmodulation benötigt. Mit der Verlustmodulation wurden Ausgangsimpulse mit Spitzenleistungen beobachtet, die die 20fachen Werte der mittleren Laserleistung hatten, und es ergab sich, daß die lineare Theorie die Spitzenintensität noch relativ gut vorhersagte. Es ist daher zu erwarten, daß eine Anregungsmodulation zu Impulsen mit einer Spitzenintensität

P = itSP (5)

und einer Impulsdauer von

A Λ

_Tp = 2T/vc3U_o (6)

für aS-Werte bis zu angenähert 100 führt. Es konnte für den Pail der Resonator-Verlustmodulation experimentell festge-

stellt werden, daß PTp konstant ist, d. h. iLeine Leistung während des Prozesses verlorengeht.

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j3s sei angenommen, daß die Relaxations schwingungspul sfrenuenz sich aus irgendeinem Grund geändert hat. Wie oben oereits erwähnt, ist die durch die modulierte Anregungslampe 1y gemäß Ausführungsform nach Fig. 1 erzeugte Modulationsfrequenz eine feste Frequenz, die selbst nicht in der La^e ist, die Frequenzabweichung bzw. -Schwankung beim Pulsen des Lasers zu kompensieren.

Eine gegenüber Unterschieden zwischen diesen Frequenzen sehr empfindliche Größe ist die Phase zwischen dem Ausgangs- ™ impulszug und der Aiiregungs-Modulationswelle von der Lampe 19, und zwar unabhängig davon, ob das Modulationssignal gepulst ist oder eine Sinusform besitzt. Diese Phasendifferenz hält auch das Vorzeichen der Differenz am Ausgang des Phasendetektors 27 in Phase. Nachdem die oben angegebene theoretische Analyse die Beziehung zwischen der Gleichstrom-Anregungsleistung des Netzteils 18 und der Relaxationsschwingungspulsfrequenz gezeigt hat, liegt es auf der Hand, daß die Anregungs- bzw. Pumpleistung des Netzteils 1d mit J Hilfe des Ausgangssignals des Phasendetektors 27 gesteuert werden kann, um die Pulsfrequenz in Bezug auf die Zeit im wesentlichen konstant zu halten.

Die Analyse hat außerdem gezeigt, daß es möglich ist, durch Überwachung des Ausgangssignals des Phasendetektors 27 selbst dann eine Eigenstabilisierung für das Relaxationsschwingungs-

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pulsen im Laser 12 herbeizuführen, wenn die stimulierende Störung von einer akustischen Zelle im Resonator des Lasers 12 anstatt von einer Anregungslampe 19 hervorgerufen wird, worauf das Ausgangssignal des Phasendetektors 27 zum Korri- · gieren der Phase der im Inneren des Resonators hervorgerufenen Modulation zugeführt wird. Trotzdem ist es vorzuziehen, den Anregungsleistungsmittelwert zu ändern, da dabei nichts in den Laserresonator eingesetzt zu werden braucht und demgemäß Verluste vermieden werden.

Beispiel

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform lassen sich die im folgenden angegebenen Betriebscharakteristiken erzielen.

Bei Verwendung eines Anregungsmodulationsindex von ft-= 0,1 und dem oben genannten ITd:YAG-Laser mit nur 100 Milliwatt mittlerer Laserleistung lassen sich Relazationsschwingungsimpulse von 600 Nanosekundendauer, 1W Spitzenleistung und 6 Mikrosekunden (150 kHz) Folgefrequenz erzielen. Bei einem statischen Experiment wurde gefunden, daß bei Zuführen einer Eingangsleistung von 100 _+ 10 W oberhalb des Schwellwerts (700 W) zu einer Wolfram-Jod-Lampe 17 eine Ausgangsleistung von 100 +_ 10 mW erzielt wurde. Wenn dasselbe Experiment bei 150 kHz durchgeführt v/erden könnte, würde man den Faktor S

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aufnehmen und ein gesteuertes ßelaxationsschwingungspulsen mit 1Y/ Spitzenleistung erzielen. Einige Lichtbogenlampen und Laserdioden können bei diesen Frequenzen moduliert werden. Eine Krypton-Lichtbogenlampe hat einen etwas höheren Wirkungsgrad als eine WoI fr am-Jod-Lampe (insgesamt nur 0,05 ?o). Es ist daher die Annahme sinnvoll, daß eine 1W-Krypton-Lichtbogenlampe gesteuerte Helaxationsschwingungsimpulse mit 1(V Spitzenleistung in dem 100 mW Nd:YAG-Laser erzeugt. Eine uaAs-Diode ist weit wirkungsvoller. Es ist ausreichend, . die der 10 mW Ausgangsänderung des statischen Experiments äquivalente Anregungsleistung dynamisch anzulegen. Dies könnte bei einer Lampe 19 mit einer G-aAs-Diode von etwa 20 mV/ mittlerer Licht-Ausgangsleistung erreicht werden.

Das gesteuerte Pulsen ist in den folgenden Fällen von Interesse:

1. Wo Leistungskompression erwünscht ist (Erzeugung der zweiten Harmonischen, optische Speicher, Mikroschweißung). ^

2. In den Fällen, bei denen die Impulsfolgefrequenz ohne Bedeutung ist oder mit einer gewünschten Folgefrequenz übereinstimmt. Beim Nd:YAG-Laser werden beispielsweise die Zugriffszeit-Erfordernisse optischer Speicher angenähert. Die kurzen Impulsdauern stellen ausreichend Zeit zum Einstellen des Laserstrahls auTv-Hologramm zur Verfügung . (Die Lageeinstellung muß mit den Impulsen zeitlich abgestimmt werden.) Die Zugriffszeit

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kann durch Steigerung der Laser-Dauerstrichleistung verringert werden. Die Spitzenintensität kann durch Erhöhen der Laserleistung und/oder des Modulationsindexes vergrößert werden.

3. In den Fällen, bei denen die Einzelimpulsenergie erheblich größer als die durch phasenstarre Kopplung von Eigenschwingungen erzielbaren Energien sein muß.

4. Wenn die Phasen und Amplituden der Impulse genau gesteuert werden müssen.

In Pig. 2 ist eine Kurve 31 des Ausgangsmodulationsgrades //P und eine Kurve 32 der relativen Phase S. der Relaxationsschwingungsimpulse als Funktion der Frequenz ω der Impulse geteilt durch die Relaxationsschwingungsfrequenz ω gezeigt. Die Skala von &/l? ist als Verhältnis der Spitzenimpuls höhe zur mittleren Laser-Leistung ausgedrückt. Die besondere Kurve 31 ist nur für einen Anregungsmodulationsgrad von 3 x 10 anwendbar; d. h. die modulierte Anregungslampe 19 liefert eine Spitzenleistung in der Größe von 1/330 der von der Anregungslampe 17 gelieferten Leistung. Nimmt man an, daß das Ausgangssignal des Phasenschiebers 26 Konstant gehalten wird, so wird die relative Phase £ des Ausgangssignals des Photodetektors 25 um -n/2 in Bezug auf das Ausgangssignal des Phasenschiebers 26 verschoben.

Eine typische Änderung der Relaxationsschwingungspulsfreauenz bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in

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Fig. 3 dls Änderung der Laser-Ausgangsleistung am Strahlteiler 23 gezeigt. Diese Laser-Ausgangsleistung ist direkt proportional zu der von dem gesteuerten Leistungsnetzteil 1ö zur Verfugung gestellten Gleichstrom-Anregungsleistung. Die nurve 41 ist auf der Grundlage der oben angegebenen theoretischen Überlegungen berechnet. Die Kurve 42 kann als experimentelle Kurve ohne Modulation bezeichnet werden, da sie durch Änderung der von der Quelle To gelieferten Anregungsieistung und Messung der Laser-Ausgangsleistung und ä

der Relaxationsschwingungsfrequenzen ohne Anregungsiicht von der Anregungslampe 19 abgeleitet wurde. Die Kurve 43 kann als experimentelle Kurve mit Modulation bezeichnet werden, da sie durch Modulieren der Resonatorverluste bei der bei Relaxationsschwingungsfrequenz vorhandenen Frequenz erzielt wurde.

.öei der Ausführungsform gemäß Pig. 4 sind den Elementen der Ausführungsform gemäß Pig. 1 im wesentlichen ähnliche Elemente mit denselben ßezugszeichen versehen. Der Hauptunterschied liegt in einer Abwandlung des hier mit 52 bezeichneten Lasers se±bst, die dazu dient, einen Laserbetrieb in einer einzigen Laser-Eigenschwingung und Frequenz nahe dem Zentrum der 1,06 Mikrometer Neodym-Laserlinie zu gewährleisten. Diese abgewandelte Ausführungsform weist elektro-optische Modulatoren 53 und 54 an jedem Ende des Laser-aktiven Mediums 13 auf. Die Modulatoren 53 bzw. 54 weisen Elektroden 55 und 56 bzw. 57 und 56 auf, die an zugehörige Hälften der Ausgangswicklung

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59 eines über eine geeignete elektrische Quelle 61 betriebenen !Er ans format or s 60 angeschlossen sind. Die elektrische Quelle 61 wird hier als Eigenschwingungs-Ünterdrüekungs-Signalquelle bezeichnet*

Die Modulatoren 53 und 54 werden auf diese Weise um 1öü° sinusförmig außer Phase getrieben, um gleiche und entgegengesetzte Änderungen der optischen Weglänge zwischen den zugehörigen. Enden des aktiven Mediums 13 und den Reflektoren 15 und 16 hervorzurufen« Wenn die Signalquelle 61 in den Modulatoren 53 und 54 eine Phasenänderung hervorruft, die einer Axialbewegung des Mediums 13 bei einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm/s äquivalent ist, so beginnt der Laser bei einer einzigen Eigenschwingung und Frequenz zu arbeiten, da die Besetzungsumkehr innerhalb des Mediums 13 in gleicher Weise an jedem axialen Punkt längs des Mediums verwendet wird,

b Es gibt daher keinen (räumlich verteilten) Lochband. Die Frequenz der Eigenschwingungs-Unterdrückungssignalquelle ist vorzugsweise höher als (1/τ + 1/Td)STT «

Obwohl diese Methode der Schwingungserzeugung in einer einzigen Eigenschwingung und Frequenz an sich bekannt ist, ist die Ausführungsform nach Fig. 4 insofern neu, als sie das erste Mal ein gesteuertes Relaxationsschwingungspulsen einer einzigen Eigenschwingung und Frequenz liefert. Es wurde die Möglichkeit dieser Betriebsweise unter Verwendung von Reso-

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nator-Verlustmodulation experimentell nachgewiesen. Dadurch ist gezeigt, daß Laser-Betrieb nicht in mehreren Eigenschwingungen bzw. Moden notwendig ist, um einen Ausgangsimpulszug bei einer regelmäßigen Phase und Amplitude zu erhalten.

In beiden in den Fig. 1 und 4 gezeigten Ausführungsformen kann die modulierte Anregungslampe 19 entfallen, wenn der .Netzteil 1ö eine ähnliche Anregungsmodulation durch die Hauptanregungslampe 17 bei der gewünschten Relaxations- f

Schwingungspulsfrequenz hervorrufen kann. Diese Möglichkeit ist durch den gepunkteten Pfeil zwischen dem Wechselstromverstärker 22 und dem Netzteil 1d angedeutet.

Die den Photodetektor 25 mit dem Phasenschieber 26 und diesen über den Verstärker 22 mit der modulierten Anregungslampe 19 verbindenden gestrüielten Pfeile zeigen die Frequenzziehtechnik einer externen Rückkopplungssteuerung, die zusätzlich verwendet werden kann. Diese Steuerung wäre jedoch j aus sich heraus zur Stabilisierung der Frequenz und Phase der Relaxationsschwingungsimpulse sowie deren Amplitude und Dauer nicht geeignet. Die Verwendung des Frequenzziehens, d. h. der Änderung der Modulationsfrequenz der Lampe 19, würde im Gegensatz zu dem Grundkonzept der vorliegenden Erfindung zu einer Änderung der Impulshöhe und der mittleren Laserleistung führen.

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Claims

- 1Ö -

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Patentansprüche

π,·. Relaxationsoszillator mit einem Laser, der ein aktives Festkörpermedium, eine das aktive Medium zur Erzeugung einer für die stimulierte Emission von Strahlung geeigneten Uesetzungsumkehr optisch anregenden Einrichtung und einen Resonator aufweist, wobei das aktive Medium, die Anregungseinrichtung und der Resonator zusammen eine gewählte Relaxationsschwingungspulsfrequenz hervorrufen, gekennzeichnet durch eine eine periodische Störung bei der gewählten Frequenz erzeugende Quelle (21) und eine die Relaxationsschwingungspulsphase auf die Phase der periodischen Störung stabilisierende Einrichtung mit einem externen Rückkopplungskreis, zu dem eine Detektoreinrichtung (27) zur Bestimmung einer Phasendifferenz der Puls- und der Störungsfrequenz und eine von der Detektoreinrichtung (27) gesteuerte Einrichtung (18) gehören, die zum Verringern der Phasendifferenz die gesamte optische Anregungsleistung ändert.
2. Relaxationsoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die die periodische Störung erzeugende Quelle eine Hilfseinrichtung (19) zum optischen Anregen, die das aktive Medium (13) bestrahlt und einen die Hilfs-Anregungseinrichtung (19) bei der gewählten Frequenz erregenden Oszillator aufweist.

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3. Relaxationsoszillator nach Anspruch 2, dessen aktives ji'eütiiörpermedium ein dielekbrisches Wirts-Gitter mit in dieaein enthaltenen aktiven Atomen aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (1o)zur Änderung der gesainten optischen Anregungsleistung einen mit der optischen Anregungseinrichtung (17) gekoppelten sceuerbaren Generator aufweist, der durch den Phnsendetektor (27) steuerbar ist.
4. Relaxationsoszillator nach Anspruch 3, dadurch ^ gekennzeichnet , daß die Hilfseinrichtung (19) zum optischen Pumpen im aktiven Medium eine optische Störung hervorruft, deren Spitzenintensität um zwei bis drei Größenordnungen niedriger als die gesamte optische Anregungsleistung ist.

0. Relaxationsoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge'kennzeichnet, daß der Resonator (15, 1o) eine Einrichtung (53, 54) zum Andern ä

der optischen Lage des aktiven Mediums innerhalb des Resonators aufweist, wobei die Lageänderung mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, daß ein Einbrennen von Löchern in das aktive Medium (13) verhindert wird, so daß das Relaxationsschwingungspulsen in einer einzigen Eigenschwingung und Frequenz der stimulierten Strahlung erfolgt.

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ZO

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