DE2258765A1 - Laser-system - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE · S MÜNCHEN 32 WIDENMAYERSTRASSE β

Tel. wen) aa au so-29 5iea , 30 a November 1972

a 317 72 Mi/Ks 2258765

Firma SANDERS ASSOCIATES, INCi, Daniel Webster Highway, South.

Nashua, New Hampshire 03060, TJ S Ai

Laser-System

Die Leistungsfähigkeit nicht im Sichtbaren arbeitender Strahlungsquellen wird derzeit durch Laser-Quellin begrenzt, . die entweder mit großer Helligkeit in einem Wellenlängenbereich emittieren, der jenseits des Bereiches' von Bildwiedergabevorrichtungen liegt, die bei geringem Rauschen einen hohen Wirkungsgrad haben, oder durch andere Quellen, die zwar in einem Wellenlängenbereich arbeiten, in dem auch hochempfindliche Detektoren vorhanden sind, deren Strahlungsfähigkeit jedoch nur von geringer Helligkeit ist·

Allgemein gesagt werden in aktiven Nachtseh-Systemen entweder GaAs-Illuminatoren verwendet in Verbindung mit Fotokathodenflächen von hohem Quantenwirkungsgrad und niedrigem

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Marck. Flnck c Co.. München. Nr. 20484 I Bankhaus H. AufhÄuaar, München, Nr. 2813OO Poatachack: MOnehan 20304 Talaarammadrasaa: Patantaanlor

Rauschstörungspegel für die Bildwiedergabe,(S-20, GaAs) oder Hdi YAG-Illuminatoren in Verbindung mit Fotokathodenflachen (S-1) mit niedrigem. Quantenwirkungsgrad, denen ein hoher Dunkelstrom eigen ist. Im ersteren Fall ist der zur Verfügung stehende Bereich der Illumination durch die starke Strahldivergenz der Laser-Diode des Übertragers "begrenzt. Im zweiten Fall ist die Wirksamkeit durch die schwache Empfindlichkeit des Empfängers in diesem Wellenbereich (1,06 Mikron) beschränkt. Eine erhebliche Verbesserung bei der Sichtentfernung kann dadurch erreicht werden, daß für den Übertrager ein optischer gepumpter Feststoff-Laser benutzt wird, dessen Spektralbereich auf der langwelligen Seite durbh die Wellenlänge begrenzt ist, bei der gute Empfangseigenschaften noch erzielbatf sind, und auf der kurzwelligen Seite durch die Empfindlichkeit des menschlichen Auges. Dieser Bereich erstreckt sich derzeit von etwa 0,8 bis 0,9 Mikron.

Es ist deshalb die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein::im Unsichtbaren arbeitendes Laser-System zu schaffen, das einen bei Raumtemperatur und 0,85 Mikron Wellenlänge arbeitenden, optisch gepumpten Feststoff-Laser verwendet. Dieser Laser soll mit hohem Wirkungsgrad in einen Spektralbereich arbeiten, der für das Auge noch unsichtbar ist, soll j«doch mit Wiedergabevorrichtungen zusammenarbeiten können, di· bei geringem Bauschen einen hohen Quantenwirkungsgrad haben. Schließlich soll dieser im 0,8 bis 0,9 Mikfcoribereich

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arbeitende Raumtemperaturfeststoff-Laser eine Verbindung über große Entfernung herstellen können, und zwar aufgrund seiner geringen Strahldivergenz, und er soll mit bereits vorhandenen, hochwirksamen Empfängern zusammenwirken können.

Kurz gesagt wird mit der Erfindung ein System geschaffen mit einem optisch gepumpten Feststoff-Laser, der bei einer Wellenlänge von 0,85 Mikfcon mit hohem Wirkunsgrad bei Raumtemperatur arbeitet und einen dotierten Lithium-Yttrium-Fluoridstab (LiYF^) verwendet.

Nachfolgend wird die Erfinäung in Verbindung mit der Zeichnung noch eingehender beschrieben. Es Beigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung des Quantenwirkungsgrades eines GaAs (Cs)-Fotoverstärkers in Abhängigkeit von der Strahlungswellenlänge und die Empfindlichkeit des Auges ebenfalls als Funktion der Strahlungswellenl'änge j

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Weitseh-Systems unter Serwendung eines bei 0,85 Mikfcon arbeitenden Lasers; und

Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung eines Lasers, der zur Erzeugung der monochromatischen Strahlung für das System der Fig. 2 verwendet wird.

Zunächst wird die Kurve A der Fig. 1 betrachtet, die die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber der Strahlung darstellt, wobei erkennbar ist, daß das Auge bei

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Wellenlängen über 0,8 Mikron relativ unempfindlich ist. Die Kurve A geht bei dieser Darstellung nach oben aus dem dargestellten Bereich heraus, und bei geeigneter Wiedergabe würde sich zeigen, daß die Empfindlichkeit des Auges bei 0,5 Mi-

krön etwa 5 x 10 ist. Aus der Kurve ist jedoch ersichtlich, daß für unsichtbares Arbeiten eine Strahlungswellenlänge von mehr als 0,8 Mikron anzustreben ist.

Die Kurve B in Fig. 1, die den Quantenwirkungsgrad eines GaAs (Cs)-Fotoverstärkers wiedergibt, zeigt, daß Laser mit einer Wellenlänge von mehr als 0,9 Mikron nicht wünschenswert sind, wenn ein ungekühlter Detektor mit hohem Quantenwirkungsgrad verwendet werden soll.

Es ist also erkennbar, daß für günstigste Ausnutzung eines ungekühlten DetektDüs bei unsichtbarer Strahlung ein Laser im Arbeitsbereich von 0,8,bis 0,9 Mikron wünschenswert ist, und um die Laser-Systeme noch zu vereinfachen, sollte dieser^Bereich von 0,8 bis 0,9 Mikron arbeitende Laser möglichst bei oder nahe der Raumtemperatur betriebsfähig sein.

Die Liste der Laser-Übergänge zwischen einzelnen Energieätufen von Ionen seltener Erden und dem Grundsubstanzmaterial für Feststoff-Laser ist äusserfet groß. Die Laserwirkung von optisch gepumpten Feststoff-Lasern ist das Ergebnis der Absorption von Pumpstrahlung durch Verunreinigungsionen, die im Grund -

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material enthalten sind, und dann Rückkehr sämtlicher angehobener Zustände in den ursprünglichen (metastabilen) Pegel, "bis ausreichend Populationsinversion für einen Schwingungspegel erreicht ist. Betrieb mit hohem Wirkungsgrad ist abhängig von einer Anzahl von Parametern, die vom Grundmaterial und von der Art der aktiven Ionen abhängen.

Allgemein gesagt ifet ein hoher Wirkungsgrad dann zu erreichen, wenn ein Laser-Übergang erreicht wird, der "bei Raumtemperatur auf einem nicht gesetzten Zustand endfet, während ein Grundmaterial verwendet werden soII, das die Stärke des Laser-Übergangs "begünstigt dusch die Platzsymmetrie, welche durch das Gitter gegeben ist. Ausserdem sollte ein Grundmaterial gewählt werden, für das nichtstrahlender Zerfall aus seinem ursprünglichen Laser-Zustand minimal ist. Schließlich soll das Grundmaterial in Bereichen, in denen die aktiven Ionen Strahlung absorbieren und die Pumpquelle wirksam emittiert, transparent sein.

Die wirksamste, mit Peststoff-Lasern zusammenarbeitende Pumpquelle ist eine Xenon-Blitzlampe, die am wirkungsvollsten emittiert, wenn sie mit sehr hoher Stromdichte getrieben wird. Unter diesen Verhältnissen ist die Emission im Bereich von 0,2 bis 0,6 Mikron am stärksten. Es wird deshalb ein Grundmaterial mit optischer Transparenz in diesem Bereich bevor-

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zugt, weil es der Strahlung in diesem Bereich den geringsten Widerstand entgegensetzt. Ausserdem läßt ein derartiges Grundmaterial das Pumpen sämtlicher erregter Zustände eines aktiven Ions in diesem Bereich zu.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat sich gezeigt, daß hohe optische Transparenz im Spektralbereich von 0,2 bis 3,0 Mikron in undotiertem LiYF^, auftritt. Ausserdem wurde herausgefunden, daß dieses Grundmaterial einen natürlichen Platz für zur Dotierung verwendete Ionen von seltenen Erden bereithält für beliebig hohe Konzentrationen von Verunreinigungsionen einschließlich aktiver Ionen und anderer (sensibilisierender) Ionen, wodurch der Pumpwirkungsgrad verbessert wird. Ausserdem schafft der natürliche Platz der seltenen Erden eine gleichmäßige Umgebung für die aktiven Ionen, was zu einer schmalen Fluoreszenzlinie bei Raumtemperatur führt und damit wiederum zu einer hohen Verstärkung bei der Laser-Umsetzung.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat sich ausserdem gezeigt, daß Erbium (Er^ ), das in LiYF₂, eingelagert ist, eine starke polarisierte Fluoreszenz im Bereich von 0,85 Mikron erzeugt, Ausserdem ist die Fluoreszenzdauer bei Raumtemperatur lang (größer als 500 Mikrosekunden in LiYF|.) was eine gute Energiespeicherung bei Laserbetrieb ermöglicht. Schließlich endet der 0,85 Mikron-Übergang in

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einem unbesetzten Zustand bei Raumtemperatur, wodurch ein Betrieb mit niedrigem Schwellenwert möglich ist.

Bei einem Ausführungsbeispmel der Erfindung hat sich weiterhin gezeigt, daß die Dauer des Endzustands des LasertTbergangs der Erbium-Ionen durch zusätzliches Dotieren mit Terbium erheblich verringert werden kann. Als Folge davon kann Depopulation der Endzustand-Population zwischen den Impulsen bis hinauf zu 100 Impulsen pro Sekunde sichergestellt werden. Letzten Endes können auch andere seltene Erden einschließlich Thulium und Dysprosium in das Grundmaterial zur Verbesserung des PumpWirkungsgrades dotiert werden, wodurch zusätzlich noch die Dauer des Endzustandes verringert wird.

Es wird jetzt auf !ig. 2 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm einer Nachtsichteinrichtung mit einem Übertrager zeigt, der einen Laserkopf 10 und eine Blitzlichtenergiequelle 12 sowie einen Empfänger mit Bildverstärker 14- aufweist. Der Laserkopf 10 ist in Fig. 3 schematisch nochmals dargestellt und besitzt einen Erbium-dotierten Lithium-Ytter-r. bium-Fluoridstab 16, eine Xenon-Blitzlampe 18, einen halbbversilberten Spiegel 20 und einen Q-Schalter 22.

Nachdem eine Besetzungsinversion durch das Pumpen erreicht ist wird der Stab 16ddurch den Q-Schalter 22 zur pulsierenden Laser-Strahlenabgabe veranlaßt· Der Laser gibt

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einen Strahl von monochromatischer Strahlung bei 0,85 Mikron Wellenlänge ab, der sich durch die Luft fortpflanzt, bis er auf ein Ziel 24 auftrifft, Von diesem Ziel 24 reflektiertes Licht gelangt auf den Bildverstärker 14, auf dem dann durch den Benutzer das Ziel gesehen werden kann.

Der Laserstab 16 und der Bildverstärker arbeiten bei Umgebungstemperatur, und der Bildverstärker hat seine optimale Empfindlichkeit bei der Wellenlänge des Lasers von 0,85 Mikron.

Obgleich die Erfindung hier im Zusammenhang mit einem Nachtsicht-System beschrieben wurde, soll dies nur alri Erläuterung aufgefaßt werden. Der Laser mit 0,85 Mikron Wellen länge kann mit gleichem Vorteil in Sucheinrichtungen, Zielanzeigern und Kommunikations-Systemen und dergleichen verwendet werden.

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Claims (8)

1. P A TENTANSPR UCHE

   Laser-System* gekennzeichnet durch einen Übertrager mit Mitteln zur Ausstrahlung eines praktisch unsichtbaren, monochromatischen Lichtstrahls, welche Strahlungsmittel einen optisch gepumpten Feststofflaser enthalten, der bei Umgebungstemperatur mit einer Welinlänge von 0,8 bis 0,9 Mikron arbeitet, und ferner gekennzeichnet durch einen Empfänger mit einem Detektor, der eine Fotokathode mit hohen Quantenwirkungsgrad bei niedrigem Rauschpegel hat.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Apparatur zum Veitsehen hat und der Detektor ein
   Bildverstärker ist·
3. 3· System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ungakühlt iit.
4. 4. System nach Anspruch 3 t dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor mit einea Quanttnwirkungegrad τοη «ehr ale einea Prozent arbeitet.
5. 5. Syatee nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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   der" Laser ein Erbium-dotierter Lithium-Yttrium-Fluoridetab ist.
6. 6. Bei Raumtemperatur arbeitender Laser, gekennzeichnet durch einen Laserstab mit starker Fluoreszenz im 0,83 Mikron-Bereich, eine optisch mit dem Laserstab gekoppelte Blitzlichtlampe, Mittel zur Zuführung elektrischer Energie zu der Blitzlichtlampe und einen Hohlraum·
7. 7· Laser nach Anspruch 6, dadurch gekenhzeichnet, daß der Stab aus Erbium-flotiertem Lithium-Tttrium-fluorid besteht.
8. 8. Laser nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Stab zusätzlich mit Ionin aus der Gruppe folgender Stoffe dotiert istt Terbium, Thulium, Dysprosium und Holmium·

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