DE2132281A1

DE2132281A1 - Anordnung zur phasensynchronisation mehrerer laseroszillatoren

Info

Publication number: DE2132281A1
Application number: DE19712132281
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl-Phys Dr Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1971-06-29
Publication date: 1973-01-11
Also published as: FR2143721A1; LU65602A1; BE785623A; IT956786B; DE2132281B2; NL7208674A; DE2132281C3; US3763441A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den 2 SU"*!! 1J /1 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

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Anordnung zur Phasensynchronisation mehrerer Laseroszillatoren

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine Anordnung zur Phasensynchronisation mehrerer Laseroszillatoren,, die aus mehreren aktiven Materialien bestehen, von denen jedes mit einem ersten individuellen Reflektor versehen ist, während der zweite Reflektor allen aktiven Materialien gemein ist.

Bei Lasern "beruht die Verstärkung der elektromagnetischen Leistung auf der Ausnutzung von Absorptions- und Emissionsvorgängen in der Materie. Da die innere Energie von Materien (Atome, Moleküle) im allgemeinen nur in bestimmten Energiethermen vorhanden ist, erfolgt die Abgabe oder Aufnahme der inneren Energie in der Regel in diskreten Energiebeträgen, die* durch den gegenseitigen Abstand der betreffenden Energietherme, die an der Energieaufnahme oder -abgabe beteiligt sind, bestimmt sind. Dabei ist der Abstand zweier Energietherme E und E durch die Beziehung E_m - E_n = h . ^v) gegeben. Hierin bedeuten h die Planck'sehe Konstante und V> die durch die Differenz der Energietherme bestimmte Frequenz. Nach dieser Beziehung wird bei Absorption dem Teilchen im Energietherm E die Energie h . V zugeführt, das dabei in den höheren Energietherm E_m übergeht. Bei Emission sendet das Teilchen, das sich im Energietherm E_m befindet die Strahlungsenergie h . "v^aus und kehrt damit in den niedrigeren Energietherm E_n zurück.

Sind die Phasen und Richtungen der ausgesandten Strahlungsenergie verschieden, so wird von der sog. "spontanen Emission" gesprochen. Sie ist inkohärent und für eine Verstärkung nicht geeignet. Sie ist die Ursache des Rauschens. Der Verstärkungsmechanismus dagegen beruht auf der sog. "induzierten Emission".

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Sie wird durch folgenden Vorgang beschrieben: . , Trifft ein Strahlungsquant.h .V auf ein angeregtes .Teilchen ^. im Energietherm E_m, so kann dieses unter Aussendung .eines ,. Strahlungsquants h . V- in den niedrigeren Energietherm E_n ~ übergehen. In diesem Fall haben aber diese beiden Quanten im.Gegensatz zur spontanen Emission gleiche Phase und gleiche Richtung. Die elektromagnetische Strahlung ist kohärent und wegen der Quantenverdopplung verstärkt.

Im optischen Bereich stehen einfache Energiequellen, deren Strahlung gleiche Frequenz und gleiche Phase haben, mit ausreichender Leistung nicht zu "Verfügung. Die durch die Lichtenergie angeregten Quantenübergänge erfolgen deshalb auch

. nicht gleichphasig. Eine Möglichkeit, die Pumpleistung für beispielsweise ausgedehnte Kristall-Lasermaterialien zu erhöhen, besteht darin, eine Vielzahl gleichphasiger Pumpenergiequellen gleicher Frequenz zu verwenden, wie sie beispielsweise Laserdioden darstellen. Dazu ist jedoch erforderlich, daß diese Laserdioden phasenmäßig synchronisiert

' werden. .

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die die phasenmäßige Synchronisation mehrerer Laseroszillatoren ermöglicht.

Ausgehend von mehreren Läseroszillatoren, die aus mehreren aktiven Materialien bestehen, von denen jedes mit einem ersten individuellen Reflektor versehen ist, während der zweite Reflektor allen aktiven Materialien gemein ist, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen den aktiven Materialien und dem gemeinsamen zweiten Reflektor ein kohärentoptisches Bauelement angeordnet ist, das durch phasenkohärente Überlagerung von Teilwellen eine einzige phasensynchrone Summationswelle erzeugt.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß

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bei der Vereinigung der Strahlen der verschiedenen Teilresonatoren durch ein Bauelement, das die Eigenschaft hat, bei phasenkohärenter' Überlagerung von !Eeilwellen eine einzige in Amplitude und Phase einfach definierte Sumtnationswelle zu erzeugen, alle Teilstrahlen kohärent sein müssen. Das heißt, ; daß in einem solchen System jeder Einzeloszillator die geringste Schwelle dann hat, wenn er phasenkohärent mit allen anderen Oszillatoren anschwingt, wodurch sich aus dem Rauschen heraus eine kohärente Schwingung aller Teilsysteme zwangsläufig ausbildet.

Das kohärentoptische Bauelement ist dabei zweckmäßigerweise ein Gitter, das als Hologramm ausgebildet ist, wobei dieses Hologramm wegen _vdes hohen Wirkungsgrades vorzugsweise ein Volumen-Phasenhologramm ist.

Vorteilhafterweise weist das Hologramm eine Interferenzstruktur auf, die durch Überlagerung einer Kugelwelle mit einer Serie von Kugelwellen entsteht, deren Ursprungsort die Strahltaille der verschiedenen Einzelresonatoren ist. Ein solches Hologramm rekonstruiert bei der Beleuchtung mit einer Vielzahl identischer, in sich kohärenter Teilwellen eine ebene Welle, die von dem gemeinsamen Reflektor in das System zurückreflektiert wird. Bei Inkohärenz der Teilwellen entsteht dagegen ein. kompliziertes¹ räumliches Beugungsmuster mit zeitlichen Schwankungen, von dem nur ein geringer Bruchteil von dem gemeinsamen Reflektor zurückreflektiert wird. ■

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert; werden.

Die schematisch dargestellte Anordnung nach der Figur zeigt zwei verschiedene Laseroszillatoren 1 und 2, beispielsweise zwei Halbleiterlaser, denen jeweils ein individueller erster Reflektor 3 "und 4 zugeordnet ist. Mit 5 ist das kohärent- *

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optische Bauelement, "beispielsweise ein Volumen-Phasenhologramm, bezeichnet, und mit 6 der allen Laseroszillatoren gemeinsame zweite Reflektor. .'·..-"

Das kohärentoptische Bauelement 5 läßt sich in Art eines Hologramms für "beliebige Anzahl und Anordnungen von Laseroszillatoren. 1, 2, ... leicht realisieren. Bei Verwendung eines Volumen-Phasenhologramms als kohärentoptisches Bauelement kann dabei ein.Wirkungsgrad nahe 100$ erreicht werden, so daß die verschiedensten Arten von Laseroszillatoren in ihrer Phase synchronisiert werden können."

Besonders gut eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung zum axialen Pumpen eines Kristallasers mit einer großen Zahl von Halbleiterlasern.

6 Patentansprüche
1 Pigur

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Claims

Patentansprüche

(1./Anordnung zur Phasensynchronisation mehrerer Laseroszillatoren "bestehend aus mehreren aktiven Material-Teilvolumina, von denen jedes mit einem ersten individuellen Reflektor versehen ist, während der zweite Reflektor allen aktiven ■ Materialien gemein ist, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den aktiven Material-Teilvolumina und dem gemeinsamen zweiten Reflektor ein kohärentoptisches Bauelement angeordnet ist, das durch phasenkohärente Überlagerung von Teilwellen eine einzige phasensynchrone Summationswelle erzeugt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das kohärentoptische Bauelement ein (nicht notwendig periodisches) Gitter ist.
3. Anordnung nach. Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauelement als Hologramm ausgebildet ist. ^
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Hologramm ein Volumen-Phasenhologramm ist.
5. Anordnung nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Hologramm eine Interferenzstruktur aufweist, die durch Überlagerung einer näherungsweise Kugelwelle mit einer Serie von Kugelwellen entsteht, deren ürsprungsort die Strahltaille der verschiedenen Einzelresonatoren ist.
6. Verwendung einer Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5- zum Pumpen von Pestkörperlasern.

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