DE2131615B2 - Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit hoher Pulsfolgefrequenz - Google Patents

Description

^Λ ~ 2n ■ L₁ ■ cos« und für die Bandbreite

ß =

(I - R) cos (-)

2.7Ii -L₁

wählbar sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, η der Brechwert des Interferometers, Lidie Interferometerdicke und R der Reflexionsfaktor ist.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem stimulierbaren Lasermedium (3) und dem Interferenzfilter (6) eine das vom Interferenzfilter reflektierte Licht ausblendende Optik (13 bis 15) vorgesehen ist.

3. Laseranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (4) ein Phasen- oder Amplitudenmodulator ist, der mit der Frequenz Δγι betrieben wird.

4. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (4) extern durch einen Frequenzgenerator angesteuert ist.

5. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (4) durch emittiertes Laserlicht selbst angesteuert ist.

6. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (4) unter dem Brewsterwinkel geneigte Lichteintritts- und -austrittsflächen besitzt.

7. 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 Interferenzfilters vorgesehen ist.

8. Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Resonatorspiegel eine erste piezoelektrische Scheibe zur nichtperiodi-

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sehen Änderung der Resonatorlänge bei Anlege einer Gleichspannung an die Scheibe und an diese Scheibe eine anschließende zweite piezoelektrisch Scheibe zur periodischen Änderung der Resonatoi länge angeordnet ist, an die zur Ermittlung de obengenannten Frequenzanpassung eine Wechse! spannung h angelegt ist

9. Laseranordnung nach den Ansprüchen 7 und ! gekennzeichnet durch einen externen Frequen2 generator mit der konstanten Frequenz /2, der di zweite piezoelektrische Scheibe ansteuert, durcl einen lichtelektrischen Empfänger, der die emittiert! Strahlung demoduliert, durch ein Filter, das nur dii Frequenz /2 passieren läßt und durch eine Regelein richtung, die nur bei Ansteuerung durch dii Frequenz /2 eine Änderung einer Gleichspannunj erzeugt.

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zui Erzeugung eines stabilen Pulses mit hoher Pulsfolgefre quenz

bei der außer dem stimulierbaren Medium ein Modulator und ein Interferenzfilter mit planparallelen Stirnflächen als Modenselektor innerhalb eines optischen Resonators angeordnet sind.

Ein Laserlichtpuls wird dazu benötigt, in Form der Pulscodemodulation Nachrichten zu übertragen. Da die übertragbare Informationsmenge umgekehrt proportional zum Impulsabstand ist, benötigt man Laser, die einen Puls mit sehr kurzen Impulsabständen 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 to zwischen zwei Impulsen von der optischen Länge L des Resonators abhängt

muß ihm ein Modulationssignal mit der Pulsfolgefrequenz /b = c/2L zugeführt werden. Hohe Folgefrequenzen lassen sich deshalb durch kurze Resonatorlängen L erreichen, was freilich die Ausgangsleistung des Lasers beeinträchtigt.

Die Impulsfrequenz läßt sich nun dadurch erhöhen, daß man den Modulator mit einem ganzzahligen Vielfachen m der Frequenz k = c/2L moduliert. Wird der Modulator mit der Frequenz /i = m ■ c/lL betrieben, dann kann nur Energie zwischen Moden ausgelauscht werden, die den Impulsfolgefrequenzab-

fto stand f\ = m ■ c/2L haben. Auf diese Weise entstehen /77 Pulsreihen mit jeweils den Impulsabständen 1//Ί, die nicht miteinander gekoppelt sind, so daß ein sehr instabiler Gesamtpuls entsteht.

Im folgenden wird ein Filtervorgang mit einem Interferenzfilter erklärt: Ein auf das Interferenzfilter einfallender Lichtimpuls wird im Inneren des Interferenzfilters mehrfach reflektiert. Bei jeder Reflexion gelangt ein Impuls am Ausgang heraus. Aus einem

einfallenden Impuls werden somit mehrere zeitlich nintereinanderliegende Impulse erzeugt. Wenn der räumliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Impulse ein /77-faches (m = natürliche Zahl) der Interferenzfilterdicke ist, so beträgt der Impulsab"fand 1/m-tel des ursprünglichen. Eine erhöhte Impulsfolgefrequenz bedeutet aber eine verringerte Modenzahl. Durch eine bestimmte Dicke des Interferenzfiltermeterials in Abhängigkeit von der einfallenden Pulsfoigefrequenz gelingt es dann, aus der vorhandenen Anzahl von Moden eine feste Anzahl herauszufiltern.

In der DT-OS 18 16 337 wird ein derartiges Verfahren beschrieben, das ebenfalls zu erhöhten Pulsfolgefrequenzen führt. Dort ist innerhalb des optischen Resonators eines Lasers außer dem stimulierbaren Medium ein Modulator und ein Interferenzfilter als Modenselektor angeordnet. Das Interferenzfilter ist ein in Transmission betriebenes Interferometer, durch welches die optische Weglänge des optischen Resonators in mindestens zwei optische Teilweglängen verzweigt wird, derart, daß Teilstrahlen der im Resonator zirkulierenden, zu verstärkenden Lichtstrahlen gleichzeitig mindestens 2 Teilresonatoren durchlaufen.

Da sich die optischen Weglängen der Lichtstrahlen bei 2 Kanälen des Resonators um einen Faktor m(m = ganze Zahl) unterscheiden, weist der Gütefaktor für die axialen Moden des Hauptresonators in jedem m-ten axialen Modus ein Maximum auf. Die in dieser Offenlegungsschrift benutzte Anordnung hat die Wirkung, daß die axialen Moden eines Lasers in Frequenzbereichen der Minima des Gütefaktors nur etwas geringere Verluste haben als die übrigen axialen Moden. Da der zweite Resonator an den Hauptresonator nur schwach angekoppelt ist, entsteht hier ebenfalls ein instabiler PuU, da wiederum mehrere Modegruppen anschwingen können, d. h. mehrere in sich gekoppelte Gruppen mit jeweils den Frequenzabständen f = m ■ c/2L, wobei aber die einzelnen Gruppen keine Verbindung miteinander haben.

Außerdem weist dort der frequenzabhängige Gütefaktor und damit die Transmissionskurve der axialen Moden einen sinusförmigen Verlauf auf. Innerhalb einer halben Periode der Sinuskurve können dort deshalb entweder nur ein Modus mit einem maximalen Gütefaktor und ein Modus mit einem minimalen Gütefaktor oder ein Modus mit einem maximalen Gütefaktor, ein Modus mit einem minimalen Gütefaktor und mindestens ein weiterer Modus mit einem mittleren Gütefaktor untergebracht sein. Im ersten Falle kann nur jeder zweite Modus den minimalen Gütefaktor aufweisen, im anderen Falle aber ist der Gütefaktor für mindestens einen weiteren Modus so hoch, daß dieser Anlaß zur Verstärkung im stimulierbaren Medium gibt.

Es ist dort deshalb sicher nicht möglich, beliebig viele axiale Moden zwischen zwei Moden mit maximalen Gütefaktoren zu unterdrücken und dadurch letztlich einen Puls mit einer beliebig hohen Pulsfoigefrequenz zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laseranordnung zur Erzeugung eines Pulses mit einer beliebig hohen Pulsfoigefrequenz anzugeben, der sehr stabil emittiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Zweck der völligen Unterdrückung unerwünschter benachbarter Eigenschwingungen mit dem Frequenzabstand Δγο der Brechungswinkel Θ, d.h. ■ : Winkel, den der aus der optischen Achse des

optischen Resonators im Interferenzfilter gebrochene Strahl mit der Normalen der planparallelen Stirnflächen dieses Interferenzfilters bildet, frei wählbar und so einstellbar ist, daß sowohl die Pulsfoigefrequenz, die gleich dem Frequenzabstand (Δγ\) ist, als auch die Transmissionsbandbreite B weitgehend unabhängig voneinander entsprechend den Bezirhungen für den Frequenzabstand

'■'' In- L₁- cos W und für die Bandbreite

I) =

- R) COS H

2 τ /ι · L₁

wählbar sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, η der Brechwert des Interferenzfilters, Li die Interferometerdicke und R der Reflexionsfaktor ist.

Zunächst wird nach der ersten Beziehung der gewünschte Frequenzabstand Δγ\ über den Brechwert η und die Dicke Li des Interferenzfilters sowie über den Neigungswinkel Θ eingestellt und sodann die Transmissionsbandbreite B durch Vorgabe des Reflexionsfaktors R des Interferenzfilters nach der zweiten Beziehung so stark verringert, daß bereits die im Abstand c/2L dem zu transmittierenden axialen Mode benachbarten Axialmoden nicht in den vom Transmissionsband überdeckten Frequenzbereich fallen.

Als Interferenzfilter kann jede Anordnung dienen, die aus einem einfallenden Laserstrahl mehrere miteinander interferenzfähige Strahlen erzeugt. Im einfachsten Fall ist dies ein Quarzquader.

Zur Vermeidung von Störungen des Laserbetriebes soll das am Interferenzfilter reflektierte Licht nicht in das verstärkende Medium zurückgelangen. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, daß zwischen dem stimulierbaren Lasermedium und dem Interferenzfilter eine das vom Interferenzfilter reflektierte Licht ausblendende Optik vorgesehen ist. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen ausblendenden Optik wird in der Figurenbeschreibung näher erläutert.

Zur Modulation des Lichtes wird insbesondere ein Phasen- oder Amplitudenmodulator 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 Interferenzfilters und des ganzen Laserresonators oder mangelhafte Frequenzkonstanz eines externen Frequenzgenerators nicht mehr zu Störungen des Laserbetriebes.

Von Vorteil ist es auch, wenn, wie schon bekannt, der Modulator unter dem Brewsterwinkel geneigte Lichteintritts- und -austrittsflächen besitzt. Dadurch werden nämlich unerwünschte Verluste vermieden.

Auch eine bekannte Vorrichtung zur Änderung der Resonatorlänge für eine automatische Anpassung der Frequenzen der Axialmoden an die Maxima der 'iVansmissionsbereiche des Interferenzfilters erweist sich als vorteilhaft. Dazu wird insbesondere an dem einen Resonatorspiegel eine erste piezoelektrische Scheibe zur nichtperiodischen Änderung der Resonatorlänge bei Anlegen einer Gleichspannung an die fts Scheibe und an dieser Scheibe eine anschließende zweite piezoelektrische Scheibe zur periodischen Änderung angeordnet, an die zur Ermittlung der obengenannten Frequenzanpassung eine Wechselspan-

nung h angelegt ist. Ferner wird insbesondere ein externer Frequenzgenerator mit der konstanten Frequenz h verwendet, der die zweite piezoelektrische Scheibe ansteuert, außerdem ein lichtelektrischer Empfänger, der die emittierte Strahlung demoduliert, ein Filter, das nur die Frequenz k passieren läßt und eine Regeleinrichtung, die nur bei Ansteuerung durch die Frequenz h eine Änderung einer Gleichspannung erzeugt. Die automatische Anpassung der Frequenzen der Axialmoden an die Maxima der Transmissionsbereiche des Interferenzfilters geschieht nun so, daß die zweite piezoelektrische Scheibe durch den externen Frequenzgenerator mit der konstanten Frequenz h angesteuert wird, wodurch wegen der periodischen Änderung der Resonatorlänge die Axialmoden mit der Frequenz h moduliert werden, wenn die Frequenzen der Axialmoden nicht mit den Maxima der Transmissionsbereiche zusammenfallen, und mit der Frequenz 2k moduliert werden, wenn die Frequenzen der Axialmoden mit den Maxima der Transmissionsbereiche zusammenfallen. Der am Laserausgang angeordnete lichtelektrische Empfänger demoduliert die emittierte Strahlung und leitet sie über das /2-Filter der Regeleinrichtung zu, welche die Resonatorlänge über die erste piezoelektrische Scheibe ändert, solange die Regeleinrichtung die Frequenz /2 erhält.

Der Frequenzgenerator zur Ansteuerung der zweiten piezoelektrischen Scheibe wird insbesondere nur zu atuomatischen Anpassung eingeschaltet.

Zum besseren Verständnis wird nun auf die folgenden Figuren verwiesen.

F i g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses;

F i g. 2 bis 5 zeigen Diagramme zur Erläuterung der Erfindung, und

F i g. 6 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem der aktive Modulator durch das von der Laseranordnung ausgesandte Licht selbst angesteuert wird. Die Anordnung besteht aus den beiden Resonatorspiegeln 1 und 2, dem stimulierbaren Medium 3, dem Modulator 4 und einem geneigt angeordneten Interferenzfilter 6. Das stimulierbare Medium 3 kann ein Festkörpermedium (z. B. YAG: Nd³⁺) oder ein gasförmiges Medium (z. B. He-Ne), das in einem Entladungsrohr eingeschlossen ist, sein. Über eint nicht eingezeichnete Anregungslichtquelle wird in dem stimuherbaren Lasermedium 3 eine Überbesetzung zur Lichtverstärkung hergestellt. Dadurch wird Laserlicht in den Axialmoden des Lasers erzeugt. Die Abstandsfrequenz der Axialmoden beträgt Δγο = c/lL mit c = Lichtgeschwindigkeit und L -Resonatorlänge. Die entstehenden axialen Moden haben in der Laseranordnung eine Güte, wie sie in Fig.2 dargestellt ist Ihre Frequenzen unterscheiden sich um jeweils gleiche Beträge, ihre Güte ist gleich groß. Infolge der Neigung kann das am Interferenzfilter reflektierte Licht nicht in das stimulierbare Medium 3 zurückgelangen und zu störender Selbsterregung führen.

Der gewünschte Frequenzbereich Δγ\ wird über den Brechwert π und die Dicke Li des Interferenzfilters sowie über den Neigungswinkel Θ nach der Beziehung

durch Vorgabe des Reflexionsfaktors R des Interferometers gemäß der Beziehung

Ii --=■

(1 -R) cos (-) Inn- L₁

211 · I₁- cos H

eingestellt und sodann die Transmissionsbandbreite B so stark verringert, daß bereits die im Abstand c/2L dem zu transniittierenden Axialmode benachbarten Axialmoden nicht in den vom Transmissionsband überdeckten Frequenzbereich fallen.

Das Interferenzfilter 6 sorgt nun dafür, daß aus den axialen Moden einige herausgefiltert werden, z. B. der zweite und dritte, der fünfte und sechste usw., wenn das Filter Transmissionsbereiche im Abstand Δγ\ aufweist, wie in der Fig.3 dargestellt ist. Der Frequenzabstand Ay\ der Transmissionsbereiche ist ein ganzzahliges Vielfaches m der Abstandsfrequenz der Axialmoden: Δγ\ = m · c/lL. Die Transmissionsmaxima des Interferenzfilters fallen mit den Axialmoden des optischen Resonators im Abstand m ■ c/2L zusammen. Die Güte der Axialmoden verändert sich dann so wie in der F i g. 4 dargestellt, d. h., die Güte für den zweiten, dritten, fünften, sechsten usw. Mode wird praktisch gleich Null. Das Laserlicht wird daher auch im Modulator 4 mit der Frequenz Δγ\ = m ■ c/2L moduliert. Dadurch, daß sich der Frequenzabstand der Axialmoden nunmehr vergrößert hat, verringert sich der zeitliche Abstand der ausgesandten Impulse auf ^χΐΔγ\. Dies ist in der Fig. 5 dargestellt, wo die Intensität der Impulse über der Zeit t aufgetragen ist. Je größer also die Zahl der ausgeblendeten Moden, desto kürzer wird die Zeit zwischen den Impulsen. Wird also ein Modulator, der mit der Frequenz Δγ\ = m ■ c/lL angesteuert wird, in den Laserresonator gebracht, dann entsteht ein stabiler Puls mit Impulsen der Pulsfolgefrequenz Δγ\.

Diese Stabilität bleibt auch dann erhalten, wenn sehr viele Axialmoden im Frequenzabstand Δγ\ liegen, da es möglich ist, die Bandbreite der Transmissionsbereiche des Filters schmaler als den Frequenzabstand c/2L der Axialmoden des Lasers zu machen.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht insbesondere darin, daß infolge der großen möglichen Längen L des optischen Resonators längere Laserstäbe bzw. längere Gasentladungsstrecken als stimulierbare Medien benutzt werden können und damil hohe Ausgangsleistungen bei sehr kurzen Impulsabständen erzielt werden können.

Das aus dem in der F i g. 1 dargestellten Laserresonator ausgekoppelte Licht fällt auf eine Photodiode 7, ir der bekanntlich durch Differenzbildung zwischen der Axialmoden im Frequenzabstand Δγ\ ein Signal dei Frequenz Δγι gewonnen wird. Dieses Signal wird danr über einen Vorverstärker 8, einen Phasenschieber 9 einen Leistungsverstärker 10 und ein Anpassungsnetz werk 11 dem Modulator 4 zugeführt Der Modulator 4 ist insbesondere bei Ansteuerung mit hohen Frequenzer in einem Mikrowellenresonator 12 eingebettet Mit den Phasenschieber 9 kann die für den Modulator < günstigste Phase eingestellt werden. Durch diese Anordnung werden Dejustierungen des Lasers automa tisch in entsprechende Frequenzänderungen umgesetzt so daß die einmal entstandene Modenkopplung nidi; verlorengehen kann. Der Phasenmodulator 4, z. B. eir LiNbCh-Kristall, hat unter dem Brewsterwinkel geneig te Lichtein- und -austrittsfenster, um unerwünscht« Verluste zu vermeiden.

In dem Fall, in dem das Interferenzfilter 6 nur wenij geneigt ist. besteht die Gefahr, daß das von

Interferenzfilter reflektierte Licht wieder in das stimulierbare Medium 3 zurückgelangt und Anlaß zu unerwünschter Selbsterregung gibt. Diese Gefahr wird ausgeschaltet bei einem Ausführungsbeispiel, das in der Fig.6 dargestellt ist. Der Laserresonator, der wieder durch die Resonatorspiegel 1 und 2 begrenzt ist, enthält wieder das stimulierbare Medium 3, den Modulator 4 und das Interferenzfilter 6. Die ausblendende Optik besteht aus einer Blende 13, die sich im Brennpunkt

zweier Linsen 14 und 15 befindet. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Blendenöffnung klein gehalten werden kann, da auch am Rande des stimulierbaren Mediums 3 austretende Lichtstrahlen auf die Blendenöffnung hin fokussiert werden. Da die Brennweite der Linse 15 kleiner ist als die Brennweite der Linse 14, wird der Strahlquerschnitt in Richtung zum optischen Filter 6 verbreitert, was eine stärkere Filterwirkung hervorruft.

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V)V 549

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Laseranordnung zur Erzeugung eines stabilen Pulses mit hoher Pulsfolgefrequenz

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bei der außer dem stimulierbaren Medium ein Modulator und ein Interferenzfilter mit planparallelen Stirnflächen als Modenselektor innerhalb eines optischen Resonators angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der völligen Unterdrückung unerwünschter benachbarter Eigenschwingungen mit dem Frequenzabstand Δγο der Brechungswinkel Θ, d. h. derjenige Winkel, den der aus der optischen Achse des optischen Resonators (1, 2) im Interferenzfilter (6) gebrochene Strahl mit der Normalen der planparallelen Stirnflächen dieses Interferenzfilters bildet, frei wählbar und so einstellbar ist, daß sowohl die Pulsfolgefrequenz, die gleich dem Frequenzabstand (Δγή ist, als auch die Transmissionsbandbreite B weitgehend unabhängig voneinander entsprechend den Beziehungen für den Frequenzabstand