DE2129896A1 - LASER OSCILLATOR FOR GENERATING SHORT LIGHT PULSES - Google Patents
LASER OSCILLATOR FOR GENERATING SHORT LIGHT PULSESInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den laJUiJU/M Berlin und.München WittelsbacherplatzSIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, laJUiJU / M Berlin and Munich Wittelsbacherplatz
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laseroszillator zur Erzeugung kurzer Lichtimpulse unter Verwendung eines frequenzbestimmenden Elements.The present invention relates to a laser oscillator for generation short pulses of light using a frequency-determining element.
Für viele Laseranwendungsgebiete ist es wünschenswert, über extrem kurze Liehtimpulse in der Größenordnung von Picosekunden zu verfügen.For many areas of laser application it is desirable to use extremely short light pulses of the order of magnitude of Picoseconds.
Mit einem Laseroszillator, der im einfachsten Fall aus einem aktiven Medium und zwei einen optischen Resonator bildenden Reflektoren besteht, können Lichtimpulse erzeugt werden, wenn beispielsweise die Pumpenergie dem aktiven Material impulsförmig zugeführt wird. Überschreitet dabei die Pumpenergie den Schwellwert des aktiven Materials, so schwingt der Laseroszillator an, wenn innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Lasermaterials mindestens eine Eigenfrequenz einer für Schwingungen ausreichenden Güte des Resonators auftritt.With a laser oscillator, which in the simplest case consists of an active medium and two an optical resonator forming reflectors, light pulses can be generated if, for example, the pump energy dem active material is supplied in pulses. If the pump energy exceeds the threshold of the active material, the laser oscillator starts to oscillate if within the gain bandwidth of the laser material at least one natural frequency of a quality of the resonator sufficient for vibrations occurs.
Bei einer Vielzahl von auftretenden Frequenzen kann eine Frequenzselektion beispielsweise dadurch erfolgen, daß ein Etaionreflektor oder eine Kombination mehrerer Etalons verwendet wird, oder daß ein Transmissionsfilter in den optischen Resonator eingeführt wird; die Frequenzselektivität beruht in all diesen Fällen auf Interferenzerscheinungen.In the case of a large number of frequencies occurring, a frequency selection can take place, for example, in that a Etaion reflector or a combination of several etalons is used, or that a transmission filter in the optical resonator is introduced; the frequency selectivity in all these cases is based on interference phenomena.
Im allgemeinen können mit derartigen Anordnungen Impulse in der Größenordnung von nsec erzeugt werden.In general, such arrangements can generate pulses on the order of nsec.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,The present invention is based on the object
2 0 98 8^103 7 VPA 9/502/167 ÜH/BK -2-2 0 98 8 ^ 103 7 VPA 9/502/167 ÜH / BK -2-
einen Laseroszillator zur Erzeugung Imi&er Mehtimpül'se^ unter r Verwendung mindestens eines frequenzbestimmenden Elementes '■-''"■·'■' anzugeben, mit dem reproduzierbare Lichtimpulse in der" Größenordnung von PieοSekunden bei Repetitionsfrequenzen in der Größenordnung von GHz erzeugt werden können.a laser oscillator for generating Imi & er Mehtimpül'se ^ under r using at least one frequency-determining element '■ -''"■·' ■ 'indicate the reproducible light pulses in the" may be generated order of PieοSekunden at repetition frequencies of the order of GHz.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das frequenzbestimmte Element so bemessen ist, daß die einfache Impulslaüfzeit im frequenzbestimmenden Element größen— ordnungsmäßig gleich der atomaren Einschwingzeit dieses frequenzbestimmenden Elementes ist und damit die Schwell- \ wertbedingung nur für solche Impulse erfüllt ist, die kurzer sind als die Einschwingzeit der frequenzbestimmenden Elemente.To achieve this objective, it is proposed that the frequency-specific element is such that the simple Impulslaüfzeit the frequency-determining element size- the order is equal to the atomic settling this frequency-determining element and thus the threshold \ value condition is met only for those pulses that short are than the settling time of the frequency-determining elements.
Das frequenzbestimmende Element ist dabei vorzugsweise abstimmbar.The frequency-determining element is preferred tunable.
Das frequenzbestimmende Element ist vorzugsweise die Resonator länge selbst oder ein Etalon oder ein Transmissionsfilter.The frequency-determining element is preferably the resonator length itself or an etalon or a transmission filter.
Erfindungsgemäß ist der Laseroszillator im stationären Betrieb nicht schwingungsfähig. Dies wird dadurch erreicht, daß das frequenzbestimmende Element derart ausgeführt,ist, ^ daß innerhalb der natürlichen Yerstärkungsbandbreite des Lasermaterials keine Resonanz liegt. Dagegen ist ein im Laseroszillator mit Lichtgeschwindigkeit umlaufendes Impulspaket dann existenzfähig, wenn es so kurz ist,- daß die frequenzselektiven Elemente nicht einschwingen und ihre selektive Eigenschaft damit verlieren. Dies ist bei Terwendung eines Etaionreflektors dann der Fall, wenn der Lichtimpuls kürzer ist als die zweifache optische Dicke des Etalons, da sich dann aufeinanderfolgende Reflexionen an den Etalonendflachen nicht überlappen, also die auf ■ Interferenz beruhende Frequenzselektivität entfällt.According to the invention, the laser oscillator is stationary Operation not capable of vibrations. This is achieved by that the frequency-determining element is designed in such a way, ^ that within the natural range of strengthening of the Laser material does not resonate. In contrast, there is a pulse packet circulating in the laser oscillator at the speed of light then able to exist when it is so short - that the frequency-selective elements do not settle in and theirs thus lose selective property. This is in use of an etaion reflector is the case when the light pulse is shorter than twice the optical thickness of the etalon, as there are then successive reflections do not overlap at the etalon end faces, i.e. the ones on ■ Frequency selectivity based on interference is eliminated.
209886MQ3T209886MQ3T
ΥΡλ 9/502/167 -3-ΥΡλ 9/502/167 -3-
Die Reflexion des Etalons ist für einen solehen Impuls . von der Frequenz unabhängig und-, abgesehen von unwesentlichen Ifachimpulsen kleiner Amplitude, gleich der Reflexion der innersten Oberfläche. Bei ausreichender Reflexion der nichtresonanten Elemente schwingt der Laser an und emittiert automatisch kurze Lichtimpulse deren maximaler Abstand durch die Laufzeit im Resonator gegeben ist.The reflection of the etalon is for such an impulse . independent of the frequency and - apart from insignificant ones Multiple pulses of small amplitude, equal to the reflection the innermost surface. If the non-resonant elements are sufficiently reflected, the laser starts to oscillate and emits automatically short light pulses, the maximum distance between which is given by the transit time in the resonator.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden.In the following, the invention will be described in more detail with reference to the figures explained.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 die relative Lage zweier Resonanzfrequenzen und Fig. 2 die zugehörige Verstärkung des aktiven Materials.1 shows the relative position of two resonance frequencies and FIG. 2 shows the associated gain of the active material.
In Fig. 1 bezeichnen V1 und ^« swei Resonanzfrequenzen im eingeschwungenen Zustand des Laseroszillators. In Fig. 2 ist mit V die Verstärkung des aktiven Materials und mit S die Schwellwertverstärkung des aktiven Materials angegeben. Wie aus der relativen Lage der beiden Kurven deutlich sichtbar wird, liegt innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Lasermaterials keine Eigenfrequenzf für die die Verstärkung V den Schwellwert S überschreitet.In FIG. 1, V 1 and 1 designate two resonance frequencies in the steady state of the laser oscillator. In FIG. 2, V indicates the gain of the active material and S indicates the threshold gain of the active material. As can be clearly seen from the relative position of the two curves, there is no natural frequency f for which the gain V exceeds the threshold value S within the gain bandwidth of the laser material.
Für eine Etaiondicke von 1 mm ergibt sich eine Impulslänge von 3 · 10"" see und für eine Resonatorlänge von 15 cm ergibt sich eine minimale Repetitionsfrequenz von 1 GHz. Die Impulslänge nach unten, d.h. zu kleinen Werten hin, ist dabei durch die atomare Einschwingzeit Δ TV V? "Ji Ö.'pte grenzt t mit AV als der homogenen Linienbreite des Lasermaterials. - <For an etion thickness of 1 mm, the pulse length is 3 · 10 "" see and for a resonator length of 15 cm there is a minimum repetition frequency of 1 GHz. The pulse length downwards, ie towards small values, is determined by the atomic settling time Δ TV V? "Ji Ö.'pte borders t with AV than the homogeneous linewidth of the laser material -. <
Wird die Laufzeit in den frequenzabhängigen Komponenten so gewählt, daß sie gerade gleich der atomaren Einschwingzeit ist, dann ist der Abstand der Resonanzfrequenzen Will the running time in the frequency-dependent components chosen so that it is just equal to the atomic settling time, then the distance between the resonance frequencies is
£09*833/1037£ 09 * 833/1037
VPA 9/502/167 * τ4-VPA 9/502/167 * τ4-
gleich das 2 jf-fache der homogenen atomaren Bandbreite,equal to 2 jf times the homogeneous atomic bandwidth,
Bei geringer Reflexion der einzelnen Oberflächen ist di'e , angegebene ,Bedingung für die Laufzeit relativ genau, zu < erfüllen, da dann die an verschiedenen Grenzflächen reflektierten Amplituden nahezu ..gleich sind, Während bei hoher Reflexion erst durch yielfachreflexionen eine merkliche Interferenz auftritt,^ ,also^die^Iau^zp^li^im^Eleinent. größer sein darf als der, ob^nr/angfgeb?|nenr^edingpfng entspricht. Die dabei auftretenden Fachechoa spielen praktisch keine Rolle, da: sie in ein durch den ersten reflektierten Impuls gesättigtes Material treffen» ■ .- . . ,....·In the case of low reflection of the individual surfaces, the specified condition for the transit time must be met relatively precisely, since the amplitudes reflected at different interfaces are then almost ... ^, so ^ the ^ Iau ^ zp ^ li ^ im ^ Eleinent. may be greater than whether ^ n r / angfgeb ? | nenr ^ edingpfng corresponds to. The technical echoes that occur are practically irrelevant because : they hit a material saturated by the first reflected pulse »■ .-. . , .... ·
Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet in einfachster ■ Weise die Erzeugung kürzester Lichtimpulse. Sie läßt sich koppeln mit ^ einer Q-Modulation. des Resonators zur Er7- .· zeugung von Riesenimpülsen, welche dann,aus einer Folge , ultrakurzer Impulse bestehen.. ,'. , . .The arrangement according to the invention allows the shortest possible light pulses to be generated in the simplest possible manner. It can be coupled with a Q modulation. the resonator for He. 7 - · generation of Riesenimpülsen which then, consist of a series ultrashort pulses .. '. ,. .
3 Patentansprüche
2 Figuren3 claims
2 figures
VPA 9/502/167VPA 9/502/167
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