DE2131615A1

DE2131615A1 - Laseranordnung zur erzeugung eines stabilen pulses mit kurzen impulsabstaenden

Info

Publication number: DE2131615A1
Application number: DE19712131615
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Baues
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-25
Filing date: 1971-06-25
Publication date: 1973-01-11
Also published as: FR2143041B1; US3764936A; GB1390832A; BE785363A; NL7208502A; LU65582A1; FR2143041A1; IT956736B; DE2131615B2

Description

Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit kurzen Impulsabständen. __«*________»>_«__-____—---_.__«___—-_

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit kurzen Impulsabständen, bestehend aus einem aktiven Lasermedium, einem Modulator, einem Modenselektor und einem optischen Resonator.

Ein Laserlichtpuls wird dazu benötigt, in Form der Pulscodemodulation ITaehrichten zu übertragen. Da die übertragbare Informationsmenge umgekehrt proportional zum Impulsabstand ist, benötigt man Laser, die einen Puls mit sehr kurzen Impulsabbtänden erzeugen. Außerdem muß der Puls sehr stabil emittiert werden.

Ein Laser, der einen Puls emittiert, enthält bekanntlich einen passiven oder aktiven Modulator. Ein in den Laser eingebrachter Modulator bewirkt dann ganz allgemein einen Energieaustausch zwischen den axialen Moden des Laserresonators. Da der Abstand tQ zwischen zwei Impulsen von der optischen Länge L des

Resonators abhängt (

muß ihm ein Modulations signal

mit der Impulsfolgefrequenz f_Q = c/2L zugeführt werden. Hohe Folgefrequenzen lassen sich deshalb durch kurze Resonatorlängen L erreichen, was freilich die Ausgangsleistung des Lasers beeinträchtigt.·

Die Impulsfolgefrequenz läßt sich nun dadurch erhöhen, daß man den Modulator mit einem ganzzahligen Vielfachen m der Frequenz f_Q = c/2L moduliert. Wird der Modulator mit der Frequenz f₁ = m . c/2L betrieben, dann kann nur Energie zwischen Moden aus-

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getauscht werden, die den Impulsfolgefrequenzabstand f-j = m . c/2L haben. Auf diese Weise entstehen m Pulsreihen mit jeweils den Impulsabständen 1/JP₁, die nicht miteinander gekoppelt sind, bo daß ein sehr instabiler Gesanitpuls entsteht.

In der OS 1 816 337 wird ein anderes Verfahren beschrieben, das ebenfalls zu hohen Impulsfolgefrequenzen führt. Es werden bier gekoppelte optische Resonatoren benutzt. Die in dieser Offenlegung3chrift benutzte Anordnung hat jedoch die Wirkung, daß die axialen Moden eines Lasers im Abstand m . c/2L nur etwas geringere Verluste haben als die übrigen axialen Moden. L bedeutet hier die Länge des Hauptresonators, c die Lichtgeschwindigkeit und m eine ganze Zahl. Da der zweite Resonator an den Hauptresonator nur schwach angekoppelt ist, entsteht hier ebenfalls ein instabiler Puls, da wiederum mehrere Modegruppen anschwingen können, d.ü. mehrere in sich gekoppelte Gruppen mit jeweils den Frequenzabständen f.. = m . c/2L, wobei aber die einzelnen Gruppen keine Verbindung miteinander haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laseranordnung zur Erzeugung eines Pulses mit Impulsfolgefrequenz anzugeben, der sehr stabil emittiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsemäß dadurch gelöst, daß in der Lageranordnung als Modenselektor ein optisches Filter für nur eine Modegruppe vorgesehen ist. Als optisches Filter wird vorzugsweise ein Interferometer vorgeschlagen, das Transmissionsbereiche im Frequenzabstand ^V₁ eines ganzzahligen Vielfachen des Freqtienzabstands der Axialmoden aufweist. Als Interferometer kann jede Anordnung dienen, die aus einem einfallenden Laserstrahl mehrere miteinander interferenzfähige Strahlen erzeugt. Im einfachsten Fall ist dies ein Quarzquader.

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Der Filtervorgang mit dem Interferometer läßt sich am einfachsten folgendermaßen erklären: Ein auf das Interferometer einfallender Iiichtimpuls wird im Inneren des Interferometers mehrfach reflektiert. Bei jeder Reflexion gelangt [ ein Impuls am Ausgang heraus. Aus einem einfallenden / Impuls werden somit mehrere zeitlich hintereinander liegende Impulse erzeugt. Wenn der räumliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Impulse ein m-faches (m = natürliche Zahl) der Interferoraeterdicke ist, so beträgt der Impulsabstand 1/m-tel des ursprünglichen. Eine erhöhte Impulsfolgefrequenz bedeutet aber eine verringerte Modenzahl. Durch eine bestimmte Dicke des Interferometermaterials in Abhängigkeit von der (J einfallenden Impulsfolgefrequenz gelingt es dann, aus der vorhandenen Anzahl von Moden eine feste Anzahl herauszufiltern, z.B. von jeweils drei aufeinanderfolgenden Moden, die zweite und dritte.

Zur Vermeidung von Störungen deü Läserbetriebes soll das am Interferometer reflektierte licht nicht in das verstärkende Medium zurückgelangen. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, daß zwischen dem aktiven Lasermedium und dem Interferometer eine das vom Interferometer reflektierte Licht ausblendende Optik vorgesehen ist. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen ausblendenden Optik wird in der FigurenbeSchreibung J näher erläutert. ^

Zur Modulation des Lichtes v/ird insbesondere ein Phasen- oder Amplitudemaodulator verwendet. Dieser Modulator kann entweder von außen durch einen Frequenzgenerator angesteuert werden oder durch das emittierte Laserlicht selbst. Im letzteren Falle führen ungewollte DeJustierungen des Interferometers und des ganzen Laserresonatore oder mangelhafte Frequenz-, konstanz eines externen Frecjuenzgenerators nicht mehr zu

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Störungen des Laserbetriebes.

Yon Vorteil ist es auch, wenn der Modulator unter dem Brewsterwinkel geneigte lichteintritts- und austrittsflachen besitzt. Dadurch werden nämlich unerwünschte Etaioneffekte vermieden.

Von Vorteil ist auch eine Vorrichtung zur Änderung der Resonatorlänge für eine automatische Anpassung der Frequenzen der Axialmoden, an die Maxima der Transmissionsbereiche des Interferometers. Dazu wird insbesondere an dem einen ReBonatorspiegel eine erste piezoelektrische Scheibe zur nichtperiodischen Änderung der Resonatorlänge bei Anlegen einer Gleichspannung an die Scheibe und an dieser Scheibe eine anschließende zweite piezoelektrische Scheibe zur periodischen Änderung angeordnet, an die zur Ermittlung der oben genannten Frequenzanpassung eine Wechselspannung fp angelegt ist. Ferner wird insbesondere ein externer Frequenzgenerator mit der konstanten Frequenz f« verwendet, der die zweite piezoelektrische Scheibe ansteuert, außerdem ein lichtelektrischer Empfänger, der die emittierte Strahlung demoduliert, ein Filter, das nur die Frequenz f₂ passieren läßt und eine Regeleinrichtung, die nur bei Ansteuerung durch die Frequenz f« eine Änderung einer Gleichspannung erzeugt. Die automatische Anpassung der Frequenzen der Axialmoden an die Maxima der Transmissionsbereiche des Interferometers geschieht, nun so, daß die zweite piezoelektrische Scheibe durch don externen Frequenzgenerator mit der konstanten Frequenz f^ angesteuert wird, wodurch wegen der periodischen Änderung der Resonatorlänge die Axialmoden mit der Frequenz f« moduliert werden, wenn die Frequenzen der Axialmoden nicht mit den Maxima der Transmissionsbereiche zusammenfallen, und mit der Frequenz 2fp moduliert werden, wenn, die Frequenzen der Axialmoden mit den Maxima der Transmissions-

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tiereiche zusammenfallen. Der am Laserausgang angeordnete lichtelektrische Empfänger demoduliert die emittierte Strahlung und leitet sie über das fg-Filter der Regeleinrichtung zu, welche die Resonatorlänge über die erste piezoelektrische Scheibe ändert, solange die Regeleinrichtung die Frequenz f₂ erhält.

Der Frequenzgenerätor zur Ansteuerung der zweiten piezoelektrischen Scheibe wird insbesondere nur zur automatischen Anpassung eingeschaltet.

Zum besseren Verständnis wird nun auf die folgenden Figuren | verwiesen. ■ -

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Erfindung, die Fig. 2 bis 5 Diagramme zur Erläuterung der Erfindung, die Fig. 6, 7 und 8 je ein Ausführungsbeispiel und die Fig. 9 und 10 je eine Darstellung eines Transmi3sibnsbereiches und eines Modes.

In der Figur 1 ist eine Laseranordnung dargestellt, welche die Resonatorspiegel 1 und 2, das aktive Medium 3, einen Modulator 4, der über einen Frequenzgenerator 5 angesteuert wird, und ein Interferometer 6 enthält. Das aktive Medium 3 J kann ein Festkörpermedium (z.B. YAG : Nd"^ ) oder ein gasförmiges Medium (z.B. He-Ne), das in einem Laserrohr eingeschlossen ist, sein. Ober eine nicht eingezeichnete Pumplichtquelle wird in dem aktiven Lasermedium 3 eine Überbesetzung zur Lichtverstärkung hergestellt. Dadurch wird Laserlicht in den Axialmoden des Lasers erzeugt. Die Abstandsfrequenz der Axialmoden beträgt dV . = c/2L. c = Lichtgeschwindigkeit, L = Resonatorlänge. Die entstehenden axialen' Moden haben in der Laseranordnung eine Güte, wie sie in Figur

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dargestellt ist. Ihre Frequenzen unterscheiden sich um jeweils gleiche Faktoren, ihre Güte ist gleich groß., Das optische Filter 6 der Figur 1 sorgt nun dafür, daß aus den axialen Moden einige herausgefiltert werden, z.B. die zweite und dritte, die fünfte und sechste, usw., wenn das Filter Transmissionsbereiche· im Abstand Λ V₁ aufweist, wie in der Figur 3 dargestellt ist» Der Frequenzabstand „Ά. XL der Transmissionsbereiche ist ein ganzzahliges Tielfaches m der Abstandsfrequenz der Axialmoden: Δ V₁ = m. . c/2E. Die Transraissionsmaxima des optischen Filters fallen mit den Axialmoden des optischen Resonators im Abstand m . c/2L zusammen. Die Güte der Axialmoden verändert sich dann so wie in der Figur 4 dargestellt, d.h. die Güte für den zweiten, dritten, fünften, sechsten usw. Mode wird praktisch gleich Hull. Das laserlicht wird daher auch im Modulator 4 mit der Frequenz Δ V,. - m . c/2Ii moduliert. Dadurch daß sich der Frequenzabstand der Axialmoden nunmehr vergrößert hat, verringert sich der zeitliche Abstand der ausgesandten Impulse auf I/äV-j. Dies ist in der Figur 5 dargestellt, wo die Intensfiät der Impulse über der Zeit t aufgetragen ist. Je größer also die Zahl der ausgeblendeten Moden, desto kurzer wird die Zeit zwischen den Impulsen. Wird also ein Modulator, der mit der Frequenz £ "V ^ = m . c/2L angesteuert wird, in den Laserresonator gebracht, dann entsteht ein stabiler Puls mit Impulsen der Impulsfolgefrequenz

Diese Stabilität bleibt auch dann erhalten, wenn sehr viele Axialmoden im Frequenzabstand d V₁ liegen, da es möglich ist, die Bandbreite der Transmissionsbereiche des Filters schmaler als den Frequensabstand c/2L der Axialmoden des Lasers zu machen, wie später noch erläutert wird.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht insbesondere

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darin, daß infolge der großen möglichen Längen L des Resonators längere Laserstäbe bzw. längere Gasentladungsröhre als aktive Medien benutzt werden können und damit hohe Ausgangsleistungen bei sehr kurzen Impulsabständen erzielt werden können. i

Die Figur 6 zeigt ein Ausftihrungsbeispiel, bei dem der aktive Modulator durch das von der Laseranordnung ausgesandte Licht selbst angesteuert wird. Die Anordnung besteht wieder aus den beiden Resonatorspiegeln 1 und 2, dem aktiven Medium 3» dem Modulator 4 und dem geneigt angeordneten optischen Filter 6. Infolge der Neigung kann das am Interferometer reflektierte Licht nicht in das aktive Medium 3 zurückgelangen und zu störender Selbsterregung führen. Die oben erwähnte Bandbreite des Transmissionsbereiches hängt von der Dicke des Interferometers, von dem Neigungswinkel θ und vom Reflexionsfaktor R ab. Gemäß der Formel
1 - R

2 . Lj n/cos Θ*

Dabei bedeutet B die Bandbreite des Transmissionsbereicbes» R der Reflexionsfaktor, L₁ die Dicke des Interferometers, η der Brechungsindex und θ den Winkel zwischen dem gebrochenem Strahl im Interferometer und der Interferometernormalen. Es kann also die Bandbreite des Transmissionsbereicbos durch Aufbringen von Reflexionsschichten auf das Interferometer d beeinflußt werden. Der Frequenzabstand A V zweier Transmissionsbereiche des Interferometers läßt sich durch den Neigungswinkel 9 beeinflussen nach der Formel

*- ' ~ 2n . L₁ . /cose*

Das aus dem Laserresonator ausgekoppelte Licht fällt auf eine Photodiode 7, in der bekanntlich durch Differenzfrequenzbildung zwischen den Axialmoden im Frequenzabstand/· ~\\ ein Signal der FrequenzAV^ gewonnen wird. Dieses Signal wird dann über einen

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Vorverstärker 8, einen Phasenschieber 9» einen Leistungsverstärker 10 und ein Anpassungsnetzwerk 11 dem Modulator 4 zugeführt. Der Modulator 4 ist insbesondere bei Ansteuerung mit hohen Frequenzen in einem Mikrowellenresonator 12 eingebettet. Mit dem Phasenschieber 9 kann die für den Modulator 4 günstigste Phase eingestellt werden. Durch diese Anordnung werden De Justierungen des Lasers automatisch in entsprechende Frequenzänderungen umgesetzt, so daß die einmal entstandene Modenkopplung nicht verlorengehen kann. Der Phasenmodulator 4» z.B. ein LiNbO₅-Kristall, hat unter dem Brewsterwinkel geneigte Lichtein- und austrittsfenster, um unerwünschte Etaloneffekte zu vermeiden.

In dem Fall, in dem das optische Filter 6 nur wenig geneigt ist, besteht die Gefahr, daß das vom Filter reflektierte Licht wiedei* in das aktive Medium 3 zurückgelangt und Anlaß zu unerwünschter Selbsterregung gibt. Diese Gefahr wird ausgeschaltet bei einem Ausführungsbeispiel, das in der Figur 7 dargestellt ist. Im Laserresonator, der wieder durch die Resonatorspiegel 1 und 2 begrenzt ist ,"befindet sich wieder das aktive Medium 3, der Modulator 4 und das optische Filter 6. Die ausblendende Optik besteht aus einer Blende 13, die sich im Brennpunkt zweier Linsen H und 15 befindet. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Blendenöffnung klein gehalten werden kann, da auch am Rande des aktiven Mediums 3 austretende Lichtstrahlen auf die Blendenöffnung hin fokussiert werden. Da die Brennweite der Linse 15 kleiner ist als die Brennweite der Linse Η» wird der Strahlquerschnitt in Richtung zum optischen Filter 6 verbreitert,, was eine stärkere Filterwirkung hervorruft.

Anhand der Figur 8 wird die Wirkungsweise der automatischen Anpassung der Frequenzen der Axialmoden an die Maxima .der Transmissionsbereiche des Interferometers beschrieben.

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Sie zeigt wieder die beiden Resonatorspiegel 1 und 2, das aktive Medium 3, den Modulator 4 und das optische Filter 6. An dem Resonatorspiegel 1 ist eine piezoelektrische Scheibe 16 befestigt, an der über einen Frequenzgenerator 17 eine I Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz angelegt wird. Durch die Schwingungen der piezoelektrischen Scheibe 16 wird die Resonatorlänge mit der Frequenz 1 kHz verändert, weil dadurch der Spiegel 1, z.B. mit einer Amplitude von etwa ft/10 hin- und herbewegt wird. Dadurch wird das Spektrum der Axialmoden gegenüber den Durchlaßbereichen des optischen Filters verschoben, d.h. die Axialmoden werden moduliert.

An der piezoelektrischen Scheibe 16 ist eine weitere piezoelektrische Scheibe 18 befestigt, an die eine Gleichspannung angelegt werden kann zur nichtperiodischen Änderung der Resonatorlänge. Außerhalb des zweiten Resonatorspiegels 2 ist ein lichtelektrischer Empfänger 7, z.B. eine Photodiode oder ein Sekundärelektronenvervielfacher angeordnet, der die Modulationsfrequenz der Axialmoden registriert und diese an ein Filter 19 weiterleitet, das nur eine Frequenz von 1 kHz hindurchläßt. Diese 1 kHz-Oszillationen werden über einen Verstärker 20 einer Regeleinheit 21 zugeführt. Diese Regeleinheit steuert nun den piezoelektrischen Kristall 18 solange mit einer zunehmenden Gleichspannung an, als sie diese 1 kHz-Oszillationen empfängt. Danach hält sie die Spannung für den piezoelektrischen Kristall 18 konstant, weil dann die Resonatorlänge so eingerichtet ist, daß die Frequenzen der Axialmoden an die Maxima der Transmissionsbereiche des Interferometers angepaßt sind. Das wird noch anhand der Figuren 9 und 10 weiter erläutert.

In den Figuren 9 und 10 ist je ein Transmissionsband 22 auf einer

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Frequenzskala dargestellt und ein Mode 23, der in der Figur 9 nicht mit dem Maximum des Transmissionsbandes zusammenfällt. Durch die periodische Änderung der Resonatorlänge schwingt dieser Mode 23 mit der Frequenz 1 kHz zwischen den Endlagen 24 und 25 hin und her, wobei er bei einer Schwingung einmal in den Transmissionsbereich fällt und einmal daneben. Die Modulationsfrequenz des Modes ist deshalb ebenfalls 1 kHz.

In der Figur 10 fällt die Ruhelage des Modes 26 mit dem Maximum des Transmissionsbereiches zusammen, während die beiden Endlagen der Schwingung außerhalb des Transmissionsbereiches liegen (27 und 28). Ändert sich die Resonatorlänge wieder mit der Frequenz 1 kHs, so tritt nunmehr eine Modulationofrequenz des Modes mit 2 MIz auf, weil bei einer Schwingung der Mode zweimal den Transmissionsbereich durchläuft.

Empfängt aber der in Figur 8 gezeichnete lichtelektrische Empfänger 7 eine Modulationsfrequenz von 2 kHz, so wird diese durch den 1 kHz Filter 19 nicht weitergeleitet und die Regeleinrichtung 21 ändert ihre Spannung für die piezoelektrische Scheibe 18 nicht weiter. Allgemein läßt sich also sagen, daß die Resonatorlänge geändert werden muß, wenn der lichtelektrische Empfänger 7 eine Modulationsfrequenz von 1 kHs empfängt, und daß die Resonatorlänge konstant gehalten v/erden muß, wenn die Modulationsfrequenz 2 kHz registriert wird. Diese Aufgabe führt die Regeleinheit 21 aus.

Durch solche. Anordnungen, die außer dem aktiven Medium und dem Modulator ein optisches Filter enthalten, kann also ein stabiler Puls mit sehr kurzen Impulsabständen erzeugt werden.

10 Figuren

10 Patentansprüche

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Claims

Patentansp r U ehe

M ./Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit kurzen Impulsabständen, "bestehend aus einem aktiven Lasermedium, einem Modulator, einem Modenselektor und einem optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet , daß der Modenselektor ein optisches Filter für nur eine Modengruppe ist.
2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das optische Filter ein Interferometer ist, das Transmissionsbereiehe im Frequenz- . | abstand (AV₁) eines ganzzahligen Vielfachen des Frequenz- " abstandes der Axialmoden aufweist.
3. Laseranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem aktiven Lasermedium und dem Interferometer eine das vom Interferometer reflektierte Licht ausblendende Optik vorgesehen ist.
4. Lasoranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. , daß der Modula/tor ein Phasen- oder Amplitudenmodulator J ist, der mit der Frequenz -^₁ betrieben wird. '
5. Laseranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator extern durch einen Frequenzgenerator angesteuert ist.
6. Laseranordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator durch emittiertes Laserlicht selbst angesteuert ist.

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7. Laseranordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator unter dem Brewsterwinkel geneigte Lichteintritts- und austrittsflachen "besitzt.
8. Laseranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine "Vorrichtung zur Änderung der Resonatorlänge für eine automatische Anpassung der Frequenzen der Axialmoden an die Maxima der Transmissionsbereiche des Interferometers vorgesehen ist.
9. Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß an dem einen Resonatorspiegel eine erste piezoelektrische Scheibe zur nichtperiodischeii Änderung der Resonatorlänge "bei Anlegen einer Gleichspannung ari die Scheibe und an dieser Scheibe eine anschließende zweite piezoelektrische Scheibe zur periodischen Änderung der Resonatorlänge angeordnet ist, an die zur Ermittlung der obengenannten Frequensanpassung eine Wechselspannung fp angelegt ist.
10. Laseranordnung nach den Ansprüchen 8 und 9, gekennzeichnet durch einen externen Frequensgenerator mit der konstanten Frequenz f₂, der die zweite piezoelektrische Scheibe ansteuert _$ durch einen lichtelektrischen Empfänger, der die emittierte Strahlung demoduliert, durch ein Filter, das nur die Frequenz f« passieren läßt und durch eine Regeleinrichtung, die nur bsi Ansteuerung durch die Frequenz fp eine Änderung einer Gleichspannung erzeugt.

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